基于3D打印技術(shù)的印制板成型過程計算機(jī)仿真研究.pdf

1、隨著電子信息技術(shù)水平的不斷提高，電子設(shè)備進(jìn)一步向著智能、便攜、高效和高可靠性方向發(fā)展。印制電路板(PCB，Printed Circuit Board)作為電子元器件的互聯(lián)載體，它的制造技術(shù)水平很大程度上影響著產(chǎn)品的性能和可靠性。傳統(tǒng)的PCB制造方法不但制造工藝復(fù)雜、周期長、浪費原料、污染環(huán)境，而且受到技術(shù)限制很難達(dá)到超高精度的要求。3D打印技術(shù)(3D Printing Technology)以其產(chǎn)品制造多樣、制造過程簡單和快速、產(chǎn)品精度

2、高和對環(huán)境污染小等特點被譽為引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”的新興技術(shù)。把3D打印技術(shù)應(yīng)用到 PCB的制造中，特別是在生產(chǎn)單件小批量和特種結(jié)構(gòu)PCB中將發(fā)揮突出優(yōu)勢。但由于3D打印過程中打印材料大多需要經(jīng)歷固態(tài)到熔融態(tài)再到固態(tài)的相變過程，會產(chǎn)生不均勻的溫度梯度進(jìn)而導(dǎo)致殘余應(yīng)力，尤其在打印電路時需要考慮不同材料間的相互作用。因此，為了提高3D打印PCB的成型質(zhì)量，保證良好的力學(xué)性能和電性能，在產(chǎn)品研制的過程中，分析打印工藝參數(shù)對打印件溫度場和應(yīng)力場

3、的影響規(guī)律必不可少。本文以印制板為研究對象，以選擇性激光燒結(jié)為典型工藝，對3D打印PCB工藝過程進(jìn)行仿真分析和數(shù)值模擬，研究打印過程中的溫度場和應(yīng)力場分布變化情況，并構(gòu)建綜合應(yīng)力關(guān)系模型，對打印件的力學(xué)特性進(jìn)行研究，主要研究工作和分析結(jié)論如下：
　　(1)在分析確定了3D打印PCB方法、工藝流程和構(gòu)建了印制板幾何模型的基礎(chǔ)上，利用“生死單元”法建立了隨材增長的有限元模型，對3D打印PCB工藝過程進(jìn)行仿真分析。獲得了打印過程中模型溫

4、度場分布變化情況，得出相關(guān)分析結(jié)論。由于在實際打印過程中，材料粉末實時燒結(jié)面積為激光的光斑照射區(qū)域，一般面積較小，所以粉末材料被加熱至熔融再冷卻固化，其經(jīng)歷時間很短，激光的能量較為集中，所以印制板形成了溫度梯度較大的溫度場。打印電路時，電路寬度較小，相對于基板打印時間較短，電路打印對整體溫度場影響較小，冷卻過程中等溫線呈現(xiàn)帶狀分布，由后向前趨于打印室溫。隨著打印速度和打印室溫的適當(dāng)提高，PCB模型的溫度梯度減小，打印完成后的整體溫度有所

5、提高，局部高溫區(qū)溫度值降低，有利于材料粉末充分固化，可減少質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生。
　　(2)在溫度場分析的基礎(chǔ)上，采用順序耦合的方式對印制板3D打印過程應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值分析。獲得了打印后的應(yīng)力分布情況和相關(guān)分析結(jié)論，打印模型的高應(yīng)力區(qū)主要集中在模型拐角和邊緣處，這是由于上層材料冷卻收縮受到底層材料約束所致。當(dāng)打印速度和打印室溫提高，層與層之間收縮率差距減小，應(yīng)力值均值下降，高應(yīng)力區(qū)域減少，應(yīng)力梯度減小，模型整體尺寸誤差降低，因而對提高打

6、印質(zhì)量預(yù)防收縮變形有積極效果，同時可以在保證層間結(jié)合強(qiáng)度和電路質(zhì)量的前提下，減小打印電路時對基板造成的過燒程度，提高打印件強(qiáng)度。
　　(3)建立了印制板3D打印基板和電路主要工藝參數(shù)與綜合應(yīng)力的關(guān)系模型。分析了熱源功率、打印速度和打印室溫對模型綜合應(yīng)力的影響規(guī)律。研究表明，打印速度和打印室溫對基板綜合應(yīng)力影響最顯著，而熱源功率則影響較小。熱源功率和打印速度對電路綜合應(yīng)力影響較為顯著。通過模型驗證，所建立的工藝參數(shù)與綜合應(yīng)力的關(guān)系模

7、型具有較高的擬合度，初步描述了工藝參數(shù)與綜合應(yīng)力間的函數(shù)關(guān)系。
　　(4)完成印制板3D打印工藝優(yōu)化研究。采用粒子群優(yōu)化算法對印制板3D打印工藝綜合應(yīng)力關(guān)系模型進(jìn)行了優(yōu)化研究，找到了擬定區(qū)間內(nèi)熱源功率、打印速度和打印室溫的最適合值，得到關(guān)系模型的較優(yōu)解，并對結(jié)果進(jìn)行了理論仿真驗證。結(jié)果表明在擬定的參數(shù)范圍內(nèi)，打印基板時，當(dāng)熱源功率為14W，打印速度為22.5mm/s，打印室溫為66℃時，可以得到打印后基板綜合應(yīng)力的最小值，約5.4