长三角G60激光联盟导读
据悉，德国斯图加特大学科研人员研究报道通过激光辅助选择性金属沉积在增材制造部件上机电一体化功能集成。相关研究以“Integration of Mechatronic Functions on Additively Manufactured Components via Laser-Assisted Selective Metal Deposition”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
当前工业革命的的动力很大程度上来自于基于互联产品和相关数据服务的价值创造。这些产品必须同时满足机械和电气要求，从而成为机电一体化系统。通过增材制造(AM)工艺生产此类系统具有可实现的复杂性、减少单个部件的数量、成本效益高以及可持续小批量生产等优势。在这项工作中，介绍了一种工艺链，通过直接在其表面创建导电结构，将由工业标准材料制成的增材制造3D结构改进为机电一体化部件。该工艺链的基础是对元件表面进行掩膜处理，并根据电路几何形状使用激光辐射有选择性地去除掩膜。然后，在湿化学工艺中，将元件表面暴露于钯核，完全去除掩膜，并通过无电解电镀沉积金属层(铜/镍/金)。该程序以立体光刻法作为AM的示范工艺，并移植到其他四种AM方法中。在所有情况下，尽管表面特性明显不同，但都观察到了良好的金属沉积选择性，以及与工业上常见的注塑激光直接成型结构机电互连器件相当的附着强度和导电性。
在当前的工作中，提出了SANCHO 方法：利用湿化学工艺和基于激光的表面改性(缩写源自德国术语)，在增材制造部件上通过选择性金属沉积实现机电一体化功能。
SANCHO 方法的两个主要要求是：第一，在元件表面生成功能可靠的导电结构;第二，该工艺适用于各种不同的增材制造工艺和材料。为了满足这两项要求，科研人员首先开发了在使用模型AM技术和模型材料制造的元件上添加导电结构的工艺，然后将该方法应用于其他增材制造技术和材料。
图 1：掩膜实验的结果，抗蚀剂稀释研究：a) DLP元件浸入虚线;b) SLS元件浸入虚线;c) DLP元件完全浸入。
图 2：激光参数研究结果。
图 3：使用 SANCHO 方法处理的DLP 元件照片。
用于开发SANCHO工艺的激光器的焦点直径为23µm。在单线烧蚀掩膜材料时，这也几乎正好是沉积铜线的宽度。这意味着在某种程度上，使用聚焦更强的激光束可以减小最小铜线宽度。然而，这只适用于光滑和封闭的表面，如DLP部件。真正的限制因素是AM部件的表面拓扑结构。特别是在粉末工艺中，由于聚合物表面的不规则性和开放性孔隙，电路的宽度至少应在100到300µm之间，才能可靠地产生导电迹线。
为了研究3D部件上金属沉积的选择性，科研人员制备了四面截断金字塔形式的DLP部件。使用混合了70% PGMEA的抗蚀剂进行掩膜。总体而言，选择性金属沉积也很明显(图 4)。
图 4：3D部件(DLP)的照片。
图 5：使用SANCHO方法加工的2D和3D部件照片：a) SLA，b) PolyJet，c) SLS，d) MJF，e) SLA，f) PolyJet，g) SLS，h) MJF。
图 6：测试布局。
图 7：所研究的 AM 技术部件的 SEM 图像。
在这项工作中介绍的SANCHO方法可用于构建基于增材制造部件的机电一体化。它是第一条可直接将导电结构应用于使用不同(或可能任何)增材制造技术的标准材料制成的部件表面的工艺链。
