CN104260360A - 多材料激光直写共形系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多材料激光直写共形系统及方法，包括真空密封箱、多关节机械手臂、多材料激光直写头及对各组成部分进行控制的控制系统；所述机械手臂与激光直写头设置在密封箱内；所述激光直写头包括直写头本体、激光器及材料筒，所述直写头本体上设有分别与激光器及材料筒相连通的材料通道和激光聚焦通道，所述材料筒至少为两组，并列设置在直写头本体上；具体过程为机械手臂带动工件沿设定路径移动，材料控制器选择相应的材料筒，出料头送出材料并使其附着到工件表面上，同时，从激光聚焦通道射出的激光对附着料进行固化或烧结成型；该发明控制过程简单、成型精度高，实现了连续生产，提高了生产效率。

Description

多材料激光直写共形系统与方法

技术领域

本发明属于快速成型领域，涉及一种多材料激光直写共形系统与方法。

背景技术

三维模塑互连器件或电子组件(3D-MID)技术是指在工件壳体的表面，制作有电气功能的三维立体电路。3D-MID技术目前主要包括双模注塑成型(2 Shot MID)及激光镭射成型(LDSMID)两种方式，并主要以LDS应用为主。3D-MID的主要优势包括：(1)三维电路载体，线路高度集成；(2)导电图形加工步骤少，制造流程短；(3)制作后的结构更轻更小，节约设计空间；(4)同时满足开发设计中的多次验证修改，减少设计开发时间；(5)高精度，线宽达0.10mm。3D-MID技术在美日欧等发达国家、地区已被较广泛的应用于通讯、汽车电子、计算机、机电设备、医疗器械等行业领域。LDS目前最主要的应用是无限通讯产品，主要为智能手机天线及无限支付。目前几乎所有智能手机的公司均使用3D-MID天线，如Nokia、Apple、Moto、SEMC、Samsung、Blackberry、华为、中兴等。

电气功能3D电路结构往往由多材料、多结构设计而成，发展多材料多工艺一体化的3D-MID技术及系统是今后的重要方向。功能3D电路大都包括：介电层、导电线路、冷却通道、保护层等多层结构，不同层对材料种类和制造工艺均提出了不同的要求，如：介电层需要在工件表面布局稳定的绝缘材料，导电线路需要按特定的结构设计布金属导线(金、银、铜、镍等)，冷却通道需要设计成水冷或风冷的联通复杂管线，保护层则需要强度较高的材料共形结构。同时，不同的材料与结构要求相对应的加工原理、工艺和设备。喷墨打印技术(ink-jet)在制备共形线路由其独特的优势，该工艺大都采用多维移动台握持打印头，按规划路径运动，并在运动过程中将材料用喷墨的方式涂覆到固定的工件表面，经整体烧结及其它后处理后得到共形线路。现有喷墨打印技术及设备存在以下问题：(1)打印材料单一，(2)打印头处于运动状态，流量难以控制，影响成型精度，(3)布线完成后需整体烧结，非实时烧结成型，(4)龙门式移动台在3D空间存在加工死角等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可在任意不规则表面打印多种材料，布线与烧结同步完成的多材料激光直写共形系统与方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：包括真空密封箱、多关节机械手臂、多材料激光直写头及对各组成部分进行控制的控制系统；所述机械手臂与激光直写头设置在密封箱内；所述激光直写头包括直写头本体、激光器及材料筒，所述直写头本体上设有分别与激光器及材料筒相连通的材料通道和激光聚焦通道，所述材料筒至少为两组，并列设置在直写头本体上。

进一步，所述激光聚焦通道为包裹在材料通道外围的环形通道，所述材料通道与所述激光聚焦通道同轴设置。

进一步，所述直写头本体上还设有用于喷吹惰性气体的气体通道，所述气体通道位于激光聚焦通道外侧。

进一步，所述控制系统包括控制材料筒出料的材料控制器、与气体通道相连通的气体控制器、控制机械手臂运动的机械手控制器。

进一步，所述机械手臂前端设有用于抓紧工件的夹爪。

进一步，所述材料通道底部设有出料头。

本发明还提供了一种利用上述多材料激光直写共形系统的直写共形方法，主要包括以下步骤：

(1)规划机械手臂的工件共形路径，并将待加工工件夹持在机械手臂的夹爪上；

(2)机械手臂带动工件沿设定路径移动，材料控制器选择相应的材料筒，出料头按材料控制器输出的材料种类和时间送出材料并使其附着到工件表面上，同时，从激光聚焦通道射出的激光对附着料进行固化或烧结成型；

(3)完成一层附着料的固化或烧结成型后，机械手臂带动工件向下移动，进行下一层面构建。

进一步，所述材料筒内的材料为树脂、生物细胞、金属、陶瓷微纳颗粒及其复合材料中的一种或几种。

进一步，所述材料的粘度值为1cp-5p。

本发明的有益效果在于：

(1)机械手臂可调范围广，重复定位精度高，与激光直写头相互配合，分别实现水平方向上位置调节及不同层面的材料铺设及烧结，减小甚至消除了现有移动台的加工死角。

(2)激光直写头固定设置，易于控制流量，成型精度高。

(3)激光直写头可供给多种打印材料，解决了现有设备打印材料单一的问题，同时提高了材料的更换效率。

(4)预置材料与固化或烧结成型同步进行，提高了材料的烧结利用率(达到或接近100％，现有技术中的烧结利用率为60％)，实现了连续生产，提高了生产效率。

(5)本发明应用范围广泛，尤其适用于仪器仪表及生物医药行业中的复杂3D结构打印；如仪器仪表的共形天线、共形传感器、及具有电气功能的多材料复杂3D结构等，生物医药方面的个性化生物支架、结构可控的药物靶体等。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的系统示意图；

图2为激光直写头第一实施例示意图；

图3为激光直写头第二实施例示意图；

图4为激光直写头第三实施例示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1、2所示，本发明所述的多材料激光直写共形系统，包括真空密封箱1、多关节机械手臂2、多材料激光直写头3及对各组成部分进行控制的控制系统；所述机械手臂2与激光直写头3设置在密封箱内1；所述激光直写头3包括直写头本体4、激光器5及材料筒6，所述直写头本体4上设有分别与激光器5及材料筒6相连通的材料通道7和激光聚焦通道8，激光聚焦通道8外侧还设有用于喷吹惰性气体的气体通道9，所述材料筒6至少为两组，并列设置在直写头本体4上。

控制系统包括控制材料筒6出料的材料控制器10、与气体通道9相连通的气体控制器11及控制机械手臂2运动的机械手控制器；激光直写头3、机械手臂2及控制系统可以共同集成到密封箱1内；具体的，材料控制器10用作材料种类的更替、材料出料量及时间的控制，机械手控制器用作工件12表面共形三维图案的路径规划，气体控制器11用作惰性气体的流量及开关时间的控制，以实现真空或惰性气体保护下的激光直写共形。

在本实施例中，如图1所示，机械手臂2固定在密封箱1底部，激光直写头3固定在密封箱1上，机械手臂2前端设有用于抓紧工件12的夹爪，夹爪可根据实际需求进行改进设计，以适应不同形貌的工件12夹持；工件12加持在夹爪上后，机械手臂2带动工件12水平移动，实现水平方向上的成型及高度方向上的层层堆砌，完成一层附着料的固化或烧结成型后，机械手臂带动工件向下移动，进行下一层面构建；机械手臂2为3-6轴多自由度机械手臂，活动范围大，定位精度高，水平方向上的重复定位精度为0.1-20μm。

本实施例中，如图2所示，材料通道7、激光聚焦通道8及气体通道9由内向外依次同轴设置在直写头本体4上，激光聚焦通道8及气体通道9对应与激光器5及气体控制器11相连通；此处激光器5通过激光聚焦通道8输出环形聚焦激光，即材料从材料通道7输出的同时被同轴输出的环形激光环绕，随着工件12在XY水平方向的移动，实现预置材料的同步固化或烧结成型，提高了材料(流体、浆料或粉末材料)的烧结利用率(达到或接近100％)，惰性气体通道9则实现了激光烧结过程中材料的无氧保护。

本实施例中的材料筒6为三组，并联设置在直写头本体4上端，可手动完成不同材料的更替及多材料的同时添加过程，当然，也可将材料筒6设置成电控形式，提高其自动化程度。

对于激光直写头3结构，还有第二种变形形式，如图3所示，即在直写头本体4上外加一个用于喷吹惰性气体的气管13作为气体通道，在直写头本体4大小不变的情况下，外设气体通道9(此处为气管13)，可增大材料通道7或激光聚焦通道8的管径大小，提高出料率或固化/烧结率。

对于激光直写头3结构，还有第三种变形形式，如图4所示，即材料通道7仅与一个材料筒6相连通，出料头14直接设置在材料筒6底部，更换材料时，需调节材料筒位置，该结构能够显著降低原材料的残留率。

作为上述方案的进一步改进，所述材料通道底部设有出料头14，便于精确掌控材料的出料量及出料速度。

本发明不局限于激光固化或烧结，具有固化作用的紫外光也同样适用，操作中还可通过改变材料的种类或形态，激光/紫外光的功率大小，实现激光/紫外光熔覆近净成形。

利用上述多材料激光直写共形系统的共形方法，主要包括以下步骤：

(1)规划机械手臂2的工件12共形路径，并将待加工工件12夹持在机械手臂2的夹爪上；

(2)机械手臂2带动工件12沿设定路径移动，材料控制器10选择相应的材料筒6，出料头14按材料控制器10输出的材料种类和时间送出材料并使其附着到工件12表面上，同时，从激光聚焦通道8射出的激光对附着料进行固化或烧结成型；

(3)完成一层附着料的固化或烧结成型后，机械手臂2带动工件12向下移动，继续进行下一层面构建。

材料筒内的材料可为树脂、生物细胞、金属、陶瓷微纳颗粒及其复合材料中的一种或几种，材料的粘度值为1cp-5p。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种多材料激光直写共形系统，其特征在于：包括真空密封箱、多关节机械手臂、多材料激光直写头及对各组成部分进行控制的控制系统；所述机械手臂与激光直写头设置在密封箱内；所述激光直写头包括直写头本体、激光器及材料筒，所述直写头本体上设有分别与激光器及材料筒相连通的材料通道和激光聚焦通道，所述材料筒至少为两组，并列设置在直写头本体上。

2.根据权例要求1所述的多材料激光直写共形系统，其特征在于：所述激光聚焦通道为包裹在材料通道外围的环形通道，所述材料通道与所述激光聚焦通道同轴设置。

3.根据权例要求2所述的多材料激光直写共形系统，其特征在于：所述直写头本体上还设有用于喷吹惰性气体的气体通道，所述气体通道位于激光聚焦通道外侧。

4.根据权例要求3所述的多材料激光直写共形系统，其特征在于：所述控制系统包括控制材料筒出料的材料控制器、与气体通道相连通的气体控制器、控制机械手臂运动的机械手控制器。

5.根据权例要求1所述的多材料激光直写共形系统，其特征在于：所述机械手臂前端设有用于抓紧工件的夹爪。

6.根据权例要求1所述的多材料激光直写共形系统，其特征在于：所述材料通道底部设有出料头。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的多材料激光直写共形系统的直写共形方法，其特征在于主要包括以下步骤：

(1)规划机械手臂的工件共形路径，并将待加工工件夹持在机械手臂的夹爪上；

(2)机械手臂带动工件沿设定路径移动，材料控制器选择相应的材料筒，出料头按材料控制器输出的材料种类和时间送出材料并使其附着到工件表面上，同时，从激光聚焦通道射出的激光对附着料进行固化或烧结成型；

(3)完成一层附着料的固化或烧结成型后，机械手臂带动工件向下移动，进行下一层面构建。

8.根据权例要求7所述的多材料激光直写共形方法，其特征在于：所述材料筒内的材料为树脂、生物细胞、金属、陶瓷微纳颗粒及其复合材料中的一种或几种。

9.根据权例要求8所述的多材料激光直写共形方法，其特征在于：所述材料的粘度值为1cp-5p。