彎曲導電跡線的五軸多材料3D打印

供稿人：呂洋、高琳
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

近年來，隨著商業(yè)導電絲的可用性增加，經(jīng)由材料擠出（MEX）對三維印刷電子器件進行原型制作已經(jīng)變得流行。然而，平面3D打印方法在擠出用于傾斜表面的導電跡線方面顯示出明顯的挑戰(zhàn)。由于平面結(jié)構(gòu)的固有特性，其中材料層層沉積，導致傾斜表面上的互連件的較弱導電性或?qū)娱g結(jié)合斷裂。這種固有特性限制了基于聚乳酸（PLA）的導電絲的3D打印的設計導電物體自由度。為了克服平面3D打印的這種限制，帝國理工學院的研究團隊提出了一種采用多材料5軸3D打印機在彎曲層中擠出導電PLA的新方法。

為了制造共形樣品，基于E3D的工具更換硬件構(gòu)建了一個定制的多材料5軸3D打印機（圖1）。

圖1 左：基于E3D換刀硬件系統(tǒng)的定制多材料5軸3D打印機。右：導電跡線在傾斜襯底上進行5軸3D打印導電跡線過程。

在研究中，研究團隊使用了兩種1.75mmPLA長絲，分別是碳基PLA和銅基PLA，碳基PLA較銅基PLA有更高的電阻率，在這項工作中，使用標準的非導電PLA長絲（1.75 mm）在220 ℃下3D打印基材。

為了研究彎曲層沉積在電跡線的3D打印中的影響，研究團隊將兩種PLA材料打印到各種傾斜和彎曲的3D打印基板上，比較了對于各種傾斜角和曲率半徑的共形和平面3D打印的電跡線的電阻率的差異（圖2）。與平面跡線相比，共形跡線的電阻率更加一致。

圖2 銅基PLA走線的平均電阻率。平面印刷樣品為黑色，共形印刷樣品為紅色。誤差條表示各自曲率半徑的測量值范圍。

研究表明，使用保形方法的3D打印導電跡線顯著穩(wěn)定了各種幾何形狀的基板的打印跡線的導電性。印刷跡線的導電性降低的最主要因素是對層間結(jié)合的依賴，對于銅基PLA尤其明顯。并且銅基PLA確實更容易受到印刷環(huán)境的影響。通過多軸3D打印可以消除滲出和拉絲，顯著提高共形特征的質(zhì)量。

參考文獻：
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