本发明涉及电路制造技术领域，尤其涉及一种基于3d打印技术的模块电路组件及其制作方法。
背景技术：
模块化电路是指将电路按基本单元划分成模块，通过后期的组装形成整体复杂电路的一种电路搭建方式，相比于整体制造的电路，模块化电路制造简单，支持自主搭建电路，更改电路方便，成本低等特点。
pcb技术迅速发展以及不断的技术革新，从简单的单、双面印刷板发展到高精度的多层板、高密度互连（hdi）板、挠性板和刚挠结合多层板。与pcb板相比，模块化电路可以简易实现电路结构的三维化，可以适应更复杂的立体结构。
现有的主流三维电路制造方法，例如喷墨成型，水转印等，都需要复杂的制造过程，属于整体成型方式，成本高而且良品率低。一旦电路成型，如有错误或电路变更，难以实现电路更改。
现有的模块化电路的制造方法主要是通过制作模具注塑等方法制作底板，然后在塑料底板上加装金属导线。这样制造的电路模块不支持自定形状，模具成本高昂，需要特定的制作设备，定制性低。
技术实现要素：
为了解决以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于3d打印技术的模块化电路组件及其制作方法，该电路组件主要特点为可以按电路的基本单元进行拆分，单独的电路基本模块可以独立设计、独立制造，每个电路模块都留有通用的接口，可以相互连接、组装成为一个复杂的整体电路只要按照本发明中通用接口制作的电路模块，都可以直接与其它模块电路相连。
本发明提供了一种基于3d打印技术的可重复利用的电路模块的制作方法，可方便快速的制造上述电路模块，包括以下步骤：
步骤（1）：设计带有流道凹槽的电路模块基底三维模型；在设计三位模型的过程中，模型内存在0.2mm-1mm的流道凹槽，并且模型具有通用的接口结构，具体为：
顶面设有7.5mm×7.5mm×5mm的四个正方排布的定位槽，定位槽中心距离为50mm；底面设有与顶面定位槽相对的7.5mm×7.5mm×5mm的四个正方排布的定位销，定位销中心距离为50mm，所述顶面上的定位槽与底面上的定位销相互卡合；
顶面以四个定位槽中心点构成的正方形中心处存在贯穿孔，贯穿孔直径为16mm，深度为2mm；与所述贯穿孔相对的所述流道凹槽的另一端设有非贯穿孔；
四个定位销中心点构成的正方形中心处存在圆形凸台，圆形凸台直径为16mm，高度为2mm，贯穿圆形凸台中心有十字凹槽，十字凹槽宽度为4mm，深度为2mm；
步骤（2）：将三维模型生成stl格式，导入三维打印机（fdm、dlp）打印软件，设置好打印参数，利用聚乳酸（pla）、光敏树脂等材料打印出具有流道凹槽的流体电路模块基底；
步骤（3）：将打印好的基底有流道凹槽的一面涂抹一层聚二甲基硅氧烷料（pdms），然后将涂抹过pdms的基底放入50-70摄氏度烘干箱烘干40-120分钟；
步骤（4）：在流体电路模块基底的流道凹槽内表面铺设一层用于导电的驱动层，得到基于三维打印的无泵驱动流体电路模块。
步骤（4）中驱动层的铺设方法有三种：
第一种是直接填充法：将导电浆料直接填入流道凹槽，然后放入50-70摄氏度烘干箱40-120分钟。所述的导电浆料可以为导电银浆、钨浆、金浆等，或拥有各种用途的导电银浆，例如热敏电阻银浆、低温银浆、电感银浆、压电陶瓷银浆等。
第二种是铺浆法：将纤维素粉、电解质粉末和水以一定的比例进行混合搅拌成浆料，然后将纤维素粉浆料倒入基底的流道凹槽内，然后放入50-70摄氏度烘干箱40-120分钟。所述纤维素粉也可替换为纸浆或者淀粉、几丁质、半纤维素中一种或多种，或者替换为纤维素与淀粉、几丁质、半纤维素中一种或多种的混合物；所述纸浆可选择常见的木浆、草浆、麻浆、苇浆、蔗浆、竹浆、破布浆等；所述的电解质粉末可选择常用的氯化钙、硝酸钠、氢氧化铜等。
第三种是填充法：在流道凹槽内铺垫柔性纸张，加入含有电解质的溶液即可得到基于三维打印的无泵驱动流体电路模块。
步骤（1）中，按照设计需求，构建微流控芯片基底模型可采用现有成熟技术，可通过计算机辅助设计cad(computeraideddesign)软件得到三维模型图，可使用商业cad软件，诸如coreldraw，solidworks等设计。
在打印过程中，可以使用多种打印方式实现，例如fdm、dlp。为提高打印精度，可适当提高fdm打印的填充率，作为优选，打印过程中填充率为50-80%；进一步优选的填充率为60%，由于芯片基底大小为厘米级别的，打印时间也相对较短。dlp打印的参数选择为：切片厚度为0.05mm，光照时间为8s。流道凹槽的深度可根据需求设置成0.2mm-1mm。
步骤（3）中，pdms为聚二甲基硅氧烷和固化剂的混合物。所述的固化剂为与现有技术中与聚二甲基硅氧烷配套的固化剂，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比一般为（8-15）:1。通过在流道凹槽一面均匀涂一层pdms可以有效的在流道表面形成一层防护膜，阻止了试剂渗透进pla芯片基底。同时本发明利用按特定比例配置好的pdms对流道凹槽表面进行改性，令流道凹槽具有较好的疏水性和表面质量，从而来达到可重复利用的目的。
步骤（4）中，纤维素粉和去离子水以质量比1:（3-8）的配比进行混合，纤维素粉的直径大小为74-125µm，纤维素浆体或导电浆体倒入流道时应利用液体表面张力的原理使流道凹槽里的浆料达到饱和状态。在这种状态下才能得到烘干后平整的流道效果。当纤维素粉替换为其他粉体时，可根据需要调整粉体与水的质量比，以满足实际需要。在驱动层中加入的电解质粉末可以根据具体电路需求进行调整。
完成以上四个步骤之后就完成了整个电路模块的制作，本方法制得的电路模块在使用过之后，可以用水清洗掉流道内的纤维素粉（或者其他粉体），重复步骤（4）就可以实现模块的重复利用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
利用本发明的制备方法，可以制作各种结构的电路模块。本发明基于3d打印的电路模块的制作方法，加工过程简便快捷，生产效率高，易于工业化大规模生产，与传统注塑成型方式相比，3d打印方式制作电路基底的方法定制性高，单块制作成本远低于注塑模的成本。通过本发明方法制得的电路模块基底理论上可以实现无限次循环重复利用，大大降低了成本。
本发明的电路模块可以进行叠加和组装操作，可以仅打印几种基本电路模块进行组装，就可以得到一个复杂的电路系统。各模块之间的组装简单，自由度高，可以实现多种有定制需求的电路搭建。通过更改电路模块基底的流道凹槽内填充的用于导电的驱动层，可以快速实现多种不同功能电路的制作，（1）填充较稳定的、特殊功能多的导电浆料直接实施导电功能，（2）填充具有毛细作用的物料，配合导电溶液即可工作；（3）填充带有电解质的毛细材料，加入水后整个电路即可开始工作，对于实验条件的要求较低。
附图说明
图1本发明的基本电路模块之间的装配示意图。
图2本发明的基本电路模块之间的组装示意图。
图3为本发明中电路模块基底的示意图。
图4为本发明中电路模块基底流道凹槽中放置模具并填充了纤维素粉浆料的示意图。
图5为本发明中最终制得的电路模块示意图。
图6为使用本发明方法搭建的交通灯电路示意图。
图7为本发明方法3d打印的电路模块基底实物图。
图8为本发明方法最终制得的电路模块实物图，已经加入纤维素和导电液。
图9为本发明方法制作的多块电路模块所搭建的电路。
图10为本发明方法制作的交通灯电路系统。
图11为本发明方法制作的次序灯电路模块。
其中：1、定位槽；2、定位销；3、流道凹槽；4、贯穿孔；5、非贯穿孔；6、圆形凸台；7、十字凹槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1：以交通灯电路搭建为例，对本发明所提及的电路搭建及其制作工艺进一步说明。
图1与图2示出了本发明的基本电路模块之间的装配完全和组装过程示意图，通过定位销和圆形凸台，两块基本电路模块可以在四个方向上进行连接，设计制作的各种电路模块都有相同的通用接口。
所述通用接口的具体结构为：所述电路模块的顶面设有四个正方排布的定位槽1，底面上与顶面定位槽相对应的位置设有四个正方排布的定位销2，所述顶面上的定位槽1与底面上的定位销2相互卡合；顶面以四个定位槽中心点构成的正方形中心处设有与流道凹槽3相连通的贯穿孔4，与所述贯穿孔4相对的所述流道凹槽3的另一端设有非贯穿孔5；底面以四个定位销中心点构成的正方形中心处设有圆形凸台6，所述圆形凸台6中心贯穿有十字凹槽7。
所述流道凹槽设置在沿电路模块长度方向的中间、其长度为0.2mm-1mm；所述四个定位槽的尺寸均为7.5mm×7.5mm×5mm，相邻两定位槽之间的中心距离为50mm；所述四个定位销的尺寸均为7.5mm×7.5mm×5mm，相邻两定位销之间的中心距离为50mm；直径为16mm，深度为2mm；所述贯穿孔的直径为16mm，深度为2mm；所述圆形凸台的直径为16mm，高度为2mm；所述十字凹槽的宽度为4mm，深度为2mm。
图3示出了所设计的电路模块基底1的三维模型，将该三维模型文件生成stl格式文件，将得到的stl格式文件导入到三维打印软件中，设置打印参数填充率为60%。本例中3d打印技术选用fdm打印方法。连接到计算机，并启动fdm三维打印机，通过计算机控制动fdm三维打印机工作，开始电路模块基底的打印过程。本实施例中选用的打印材料为聚乳酸（pla）。打印完成后从打印机上取下pla电路模块基底。
以聚二甲基硅氧烷和固化剂10:1的质量比例配制pdms，静置20min后待pdms中的气泡完全消失之后，将之均匀涂在电路模块基底带有流道凹槽的一面，形成一层薄薄的保护层。将涂好pdms的电路模块基底放入60摄氏度的干燥箱进行干燥固化处理，1小时后取出带有pdms保护层的电路模块基底。
以纤维素粉和去离子水以1:5的质量比配置纤维素粉浆料，搅拌均匀后。在通孔处加装模具，将纤维素粉浆料均匀得倒入带有pdms保护层的电路模块基底的流道凹槽内，图4示出了电路模块基底倒入纤维素粉浆料的状态图，利用液体表面张力的作用，令流道凹槽内的纤维素粉浆料达到充盈状态。将带有纤维素粉浆料的电路模块基底，平稳的放入60摄氏度干燥箱进行烘干处理，1小时后取出并取出模具。图5为烘干后最后制得电路模块的示意图。
图6示出了本例所搭建的交通灯电路示意图，主要的工作电路为模块化电路，通过arduinouno的控制，实现发光二极管的依序亮起。
图7所示为实际加工的电路模块单元，此单元为基本导通电路单元，可以与其他模块连接；经过本发明方法的流道填充之后，在流道中加入了染色的氯化钙溶液，如图8所示。
图9中所示将四块基本电路模块通过定位销依次固定在一起，由每个电路模块的贯穿孔连接流道凹槽，构成有一个交点和四条支路的电路。在其中三个模块流道凹槽中分别注入红色、黄色、蓝色的氯化钙溶液，在第四条流道流出的溶液颜色与三种颜色在试管中直接混合颜色一致，验证了四条支路之间的相互连通性。
图10中所示的电路为在图6所示的流体电路的基础上添加了红色、黄色、绿色的发光二极管，并分别连接到了arduinouno的4号、7号、10号引脚上；另外一个没有连接小灯的支路作为公地端连接到arduinouno的接地引脚，完成交通灯电路的搭建。
接下来在arduinouno中烧录如下程序：
intled_green=4;
intled_yellow=7;
intled_red=10;
voidsetup(){
pinmode(led_green,output);
pinmode(led_yellow,output);
pinmode(led_red,output);
}
voidloop(){
digitalwrite(led_green,high);
delay(1000);
digitalwrite(led_green,low);
digitalwrite(led_yellow,high);
delay(1000);
digitalwrite(led_yellow,low);
digitalwrite(led_red,high);
delay(1000);
digitalwrite(led_red,low);
}
以上程序可以以1s为间隔分别给4号、7号、10号引脚设置为高电平，从而使绿色、黄色、红色发光二极管以1s为间隔顺序亮起。
在实际应用中，三个发光二极管发光顺序符合程序预期，而且由于流体电路有一定的阻抗，对发光二极管可以起到分压限流保护元件的作用。
实施例2：次序灯电路实现
在上述基础上，本例探究了单独模块电路的个例性设计，以说明3d打印技术对于电路制作的优势，调整基本流体电路模块，使其弯曲为一个定制电路元件，验证次序灯的实现，其他的电路连接如上例。
图11中所示的电路为自定的特殊流体电路模块，在使用cad软件建模完成之后，导入fdm打印机进行打印，得到的流体电路模块基底使用与上例相同的方法进行pdms覆膜处理以及纤维素的填充。
在三个转弯处添加三个发光二极管，负极插入流道中，正极连接到5v电源，流道一端插入接地引脚。在有接地引脚的流道端口加入氯化钙溶液，在溶液沿流道充满整个电路的过程中，会陆续联通三个发光二极管，可以观察到随着液体的流动，三个发光二极管按次序亮起。