弯曲导电迹线的五轴多材料3D打印

供稿人：吕洋、高琳
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

近年来，随着商业导电丝的可用性增加，经由材料挤出（MEX）对三维印刷电子器件进行原型制作已经变得流行。然而，平面3D打印方法在挤出用于倾斜表面的导电迹线方面显示出明显的挑战。由于平面结构的固有特性，其中材料层层沉积，导致倾斜表面上的互连件的较弱导电性或层间结合断裂。这种固有特性限制了基于聚乳酸（PLA）的导电丝的3D打印的设计导电物体自由度。为了克服平面3D打印的这种限制，帝国理工学院的研究团队提出了一种采用多材料5轴3D打印机在弯曲层中挤出导电PLA的新方法。

为了制造共形样品，基于E3D的工具更换硬件构建了一个定制的多材料5轴3D打印机（图1）。

图1 左：基于E3D换刀硬件系统的定制多材料5轴3D打印机。右：导电迹线在倾斜衬底上进行5轴3D打印导电迹线过程。

在研究中，研究团队使用了两种1.75mmPLA长丝，分别是碳基PLA和铜基PLA，碳基PLA较铜基PLA有更高的电阻率，在这项工作中，使用标准的非导电PLA长丝（1.75 mm）在220 ℃下3D打印基材。

为了研究弯曲层沉积在电迹线的3D打印中的影响，研究团队将两种PLA材料打印到各种倾斜和弯曲的3D打印基板上，比较了对于各种倾斜角和曲率半径的共形和平面3D打印的电迹线的电阻率的差异（图2）。与平面迹线相比，共形迹线的电阻率更加一致。

图2 铜基PLA走线的平均电阻率。平面印刷样品为黑色，共形印刷样品为红色。误差条表示各自曲率半径的测量值范围。

研究表明，使用保形方法的3D打印导电迹线显著稳定了各种几何形状的基板的打印迹线的导电性。印刷迹线的导电性降低的最主要因素是对层间结合的依赖，对于铜基PLA尤其明显。并且铜基PLA确实更容易受到印刷环境的影响。通过多轴3D打印可以消除渗出和拉丝，显著提高共形特征的质量。

参考文献：
Hong F, Lampret B, Myant C, Hodges S, Boyle D. 5-axis multi-material 3D printing of curved electrical traces. Additive Manufacturing. 2023;70. doi:10.1016/j.addma.2023.103546