一种同轴式3D打印挤出装置的制作方法

本实用新型属于3d打印设备领域，更具体地，涉及一种同轴式3d打印挤出装置。

背景技术：

现有电子设备的电路大多采用传统二维pcb板，即电路的各种单元器件全部分布在一个平面上。随着科技迅猛发展，日常使用的电子产品逐渐向小型集成化发展，传统二维pcb电路板面积不断缩小，但电路板上的器件数量却增加致使电路趋于复杂，两者的矛盾，严重影响到电路传导速度，同时制约了电子设备的外观设计。因此在有限的空间内，快速集成更为复杂的空间立体电路将是电子电路未来发展的必然要求。

在面向更复杂的电子电路应用需求时，空间立体电路(即三维电路，3d电路)相对于二维电路，能够提高电路板的空间利用率。立体电路可以被设计成多层，在层间布建通路连通各层电路，从而大大增加布线面积。这种具有空间复杂立体电路的电路板提高了封装密度以及电路工作速度，同时为实现新型多功能器件及电路系统创造了可能性。未来在智能可穿戴电子设备、动态传感器、柔性电子元器件等有广阔的应用前景。

传统二维pcb电路板的制作方法随着现代制作工艺技术的进步不断改进，但是原则上不变是基材制备、电路板剪裁、覆铜板处理、电路板转印、腐蚀、钻孔、预处理、焊接等，经一系列复杂流程后才能导电应用。整个制作生产过程复杂繁琐，难以满足多布线、高复杂、高精度电路板的制造，且刻蚀后的化学试剂、重金属废液对环境污染严重。如今，新兴的3d打印技术以数字化模型为基础，通过不同的打印设备，基于逐层堆叠的原理，可以实现各类材料的高精度、快速成形，采用3d打印技术制造高布线复杂度空间立体电路已成为趋势之一。

基于现有的3d打印设备和技术，针对空间立体电路的成形已有一些方案。例如，专利cn106817846a提出了基于3d打印工艺的液态金属立体电路及其制造方法，具体是先通过3d打印工艺打印具有中空流道的三维实体，再在所述实体的中空流道中注满液态金属，此方法虽能够成形空间立体电路，但在后期浇注过程中，流道过细的部分可能因为金属液表面张力的存在而无法流入，致使整个立体电路无法连通导电；专利cn109774132a提出了一种基于光固化3d打印技术的电路板的制造方法，包括以下步骤：(1)设计电路板基体模型和电路图形；(2)设定基体模型打印参数，对基体模型切片；(3)对功能型光固化树脂进行调配；(4)采用光固化3d打印机打印电路板基体；(5)采用激光活化基体表面，形成附有化学镀催化剂的活化层；(6)对电路板基体进行化学镀；(7)在电路板基体相应位置安装电子元件，然而这种方法虽能够应用于“三维”电路制造，但仅仅是在xy面上成形复杂排布的电路，不能够真正成形z轴立体方向上的复杂分布的电路(或可称之为2.5d电路)，同时其后处理较为繁琐，可选材料范围狭窄，成本较高，未能充分利用3d打印技术一体化成形的特点。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种同轴式3d打印挤出装置，其目的在于，通过设置同轴间隙配合的外层挤出机构与内层挤出机构，使装置可交替挤出不同种类的材料，特别适合用于成形具有空间复杂电路排布走向的立体电路，缩短了制造周期，降低了制造成本和制造难度，拓展了3d打印电路的应用范围。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种同轴式3d打印挤出装置，包括内层挤出机构和外层挤出机构，其中：

所述内层挤出机构包括内层喷头套筒、储料腔、气缸导杆和气缸，其中，所述内层喷头套筒上端设置有端盖，该端盖上设有进气管；所述储料腔与所述内层喷头套筒连通；所述气缸导杆一端与所述气缸相连，另一端穿过所述端盖，位于所述内层喷头套筒内；

所述外层挤出机构包括外层喷头套筒、螺杆、进料漏斗、环形加热器和步进电机，其中，所述外层喷头套筒、螺杆和内层喷头套筒从外至内依次同轴设置；所述螺杆与所述步进电机相连，所述进料漏斗设置在所述外层喷头套筒上，所述环形加热器包裹在所述外层喷头套筒外侧。

作为进一步优选的，所述外层挤出机构还包括导流板，该导流板套在所述内层喷头套筒外侧，并设置在所述螺杆下端。

作为进一步优选的，所述螺杆为等距渐变型螺杆，其从上至下分为加料段、压缩段、计量段，所述加料段螺槽深度为3mm～4mm，所述计量段螺槽深度为1mm～2mm。

作为进一步优选的，所述储料腔内设置有过滤网。

作为进一步优选的，所述内层喷头套筒下端为内层喷嘴，该内层喷嘴的直径为0.1mm～0.2mm；所述外层喷头套筒下端为外层喷嘴，该外层喷嘴的直径为0.2mm～0.4mm。

作为进一步优选的，所述内层喷嘴和外层喷嘴均为黄铜喷嘴。

作为进一步优选的，该挤出装置还包括风扇座和固定在该风扇座上的散热风扇，所述风扇座固定在所述内层喷头套筒上。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型通过设置同轴间隙配合的外层挤出机构与内层挤出机构，使装置可交替挤出不同种类的材料，特别适合用于成形具有空间复杂电路排布走向的立体电路，拓展了3d打印电路的应用范围，为设计智能可穿戴电子设备、动态传感器、柔性电子元器件等提供了新的思路。

2.本实用新型在分层打印绝缘基底的同时打印电路部分，导电电路可在绝缘基底空间结构中任意分布，使得在有限的空间内，能够快速集成更为复杂的空间立体电路，此加工方法直接将具有空间结构的电路逐层嵌入基底中，可克服因内部电路设计复杂而无法加工的难点，有效地简化了传统二维pcb电路板的制造工艺流程，缩短了制造周期，降低了制造成本和制造难度。

3.为在保证成形精度和致密度的条件提高成形速度，本实用新型设置内层喷嘴的直径为0.1mm～0.2mm，外层喷嘴的直径为0.2mm～0.4mm，同时采用黄铜喷嘴，其硬度较高、耐腐蚀、不易生锈。

附图说明

图1是本实用新型实施例同轴式3d打印挤出装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例同轴式3d打印挤出装置剖面示意图；

图3是本实用新型实施例内层喷头交替开闭状态示意图，其中(a)为内层喷头打开状态，(b)为内层喷头闭合状态；

图4是本实用新型实施例储料腔剖面示意图；

图5是本实用新型实施例导流板结构示意图；

图6是本实用新型实施例螺杆结构示意图；

图7是本实用新型实施例成形的空间立体电路示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：3-散热风扇，4-风扇座，5-高分子绝缘粒料，6-导电部分，7-基底绝缘部分，11-气缸，12-气缸导杆，13-进气管，14-端盖，15-内层喷头套筒，16-储料腔，161-进气口，162-导电颗粒料，163-过滤网，164-导电液体，165-出液口，21-步进电机，22-联轴器，23-进料漏斗，24-锥齿轮，25-螺杆，26-外层喷头套筒，27-环形加热器，28-导流板。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例提供的一种同轴式3d打印挤出装置，如图1和图2所示，包括内层挤出机构和外层挤出机构，其中：

所述内层挤出机构包括内层喷头套筒15、储料腔16、气缸导杆12和气缸11，其中，所述内层喷头套筒15上端设置有端盖14，该端盖14上设有进气管13；所述储料腔16与所述内层喷头套筒15连通；所述气缸导杆12一端与所述气缸11相连，另一端穿过所述端盖14，位于所述内层喷头套筒15内；

所述外层挤出机构包括外层喷头套筒26、螺杆25、进料漏斗23、环形加热器27、步进电机21和导流板28，其中，所述外层喷头套筒26、螺杆25和内层喷头套筒15从外至内依次同轴设置；所述螺杆25通过锥齿轮24与所述步进电机21相连，所述进料漏斗23设置在所述外层喷头套筒26上，所述环形加热器27包裹在所述外层喷头套筒26外侧；所述导流板28如图5所示，其套在所述内层喷头套筒15外侧，且位于所述螺杆25下端，导流板28上开设有倒流孔。

具体的，如图4所示，所述储料腔16内设置有过滤网163，储料腔16上设有进气口161，侧下方设有出液口165，该出液口165与所述内层喷头套筒15连通；所述螺杆25为等距渐变型螺杆，如图6所示，其从上至下依次为加料段、压缩段、计量段：加料段螺槽深度为3mm～4mm，用于对颗粒料进行压实和运输，压缩段螺槽深度均匀减小，用于对颗粒料进一步压实和塑化，并将夹杂的空气压回加料口处，计量段螺槽深度为1mm～2mm，用于对颗粒料进一步塑化，并使之定压、定温、定量地从螺杆25中挤出，螺杆25的三段结构的具体参数由进入其中的颗粒料的性质决定。

进一步的，所述内层喷头套筒15下端为内层喷嘴，该内层喷嘴的直径为0.1mm～0.2mm，进一步优选为0.15mm；所述外层喷头套筒26下端为外层喷嘴，该外层喷嘴的直径为0.2mm～0.4mm，进一步优选为0.3mm；所述内层喷嘴和外层喷嘴均为黄铜喷嘴。

进一步的，该挤出装置还包括风扇座4和固定在该风扇座4上的散热风扇3，所述风扇座4固定在所述内层喷头套筒15上，散热风扇3位于环形加热器27处。

采用上述挤出装置成形如图7所示的空间立体电路，其包括导电部分6和基底绝缘部分7，具体步骤如下：

s1通过三维建模软件构建待成形空间立体电路模型，该空间立体电路模型包含电路部分和绝缘部分，并合理规划电路分布走向，保证电路不会产生交叉重叠导致短路；通过切片软件对空间立体电路模型进行分层切片，识别并得到每层切片中电路部分和绝缘部分的信息，得到成形轨迹；

s2将成形轨迹输入至装配有所述挤出装置的3d打印设备中，通过内层挤出机构成形电路部分，通过外层挤出机构成形绝缘部分，具体的，控制内外层喷头独立、交替地挤出导电材料和绝缘材料，每打印完一层，平台下降所设置的一个层厚高度，如此逐层循环堆积，直至完成整个空间立体电路的成形；

s3对成形的空间立体电路进行后处理和导电测试，即可获得空间立体电路产品。

具体的，如图3所示，所述内层挤出机构成形电路部分时：螺杆25不旋转，气缸11带动气缸导杆12升起，从进气管13向内层喷头套筒15内通入气体，内层喷头套筒15内气压增大，导电材料在储料腔16内加热熔融后并由过滤网163过滤残渣后，进入内层喷头套筒15，并在压力作用下从内层喷嘴挤出；

所述外层挤出机构成形绝缘部分时：气缸11带动气缸导杆12下降堵住内层喷嘴，步进电机21通过锥齿轮24带动螺杆25旋转，绝缘材料通过进料漏斗23进入外层喷头套筒26和螺杆25之间，并在环形加热器27加热和螺杆25旋转摩擦的共同作用下熔融，同时散热风扇3进行散热，以控制材料熔化的温度，然后导流板28对该熔融体的流向进行调整，使其竖直流向外层喷嘴并从外层喷嘴挤出。

以下为具体实施例：

挤出装置各部件具体参数选择如下：气缸11为标准件，行程为8mm，气缸导杆12为标准件，长度380mm，直径底部倒圆角半径1mm，材质不锈钢；端盖14外径内径与内层喷头套筒15紧密装配，保证气密性良好；如图4所示，储料腔16长宽高分别为180mm、100mm、100mm，其顶部开设的进气口161直径为侧面开设的液体流道165直径为腔内壁设置有加热器，能够使导电材料熔化，过滤网163采用不锈钢金属，用于过滤掉不熔化的残渣，防止堵塞喷头；

步进电机21和联轴器22分别为42两相步进电机、铝合金梅花联轴器标准件；进料漏斗23为铁质锥形，底部直径壁厚2mm；锥齿轮24为两个标准直齿锥齿轮相互啮合，两轴交角s＝90°，齿数比为1，齿数均为24，分度圆直径为96mm，传动齿宽比锥齿轮大端模数为4，平均模数为3.33；螺杆25采用45钢淬火处理，硬度45～48hrc，有效长度160mm，外径内径螺距8mm，升角13.4°，其中加料段、压缩段、计量段长度分别为40mm、80mm、40mm，加料段螺槽深度为3.5mm，压缩段螺槽深度从3.5mm均匀减小到1.5mm，计量段螺槽深度为1.5mm；外层喷头套筒26采用45钢淬火处理，内径壁厚5mm，圆柱体长155mm，外层喷嘴直径环形加热器27采用不锈钢材质，电阻丝加热方式，加热温度范围60℃～250℃之间，能够使高分子绝缘颗粒料熔化；导流板27采用不锈钢材质，直径厚5mm，孔径3mm；散热风扇3采用12v直流风扇，外观尺寸40*40*10mm，与所述套筒加热器27配套使用，保证外层挤出机构的温度处于合适范围；风扇座4使用铝合金制作，用于固定所述散热风扇3。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。