CN105538721B - 一种非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法，其打印装置包括工作台、五轴联动打印模块和激光固化模块；五轴联动打印模块包括用于控制喷墨位置的五轴联动组、用于喷墨的喷墨供墨组、用于放置被打印模型的打印平台和数控系统，五轴联动组包括X轴组、Y轴组、Z轴组、C轴组和A轴组；激光固化模块包括半导体泵浦激光器、反射镜组、扫描振镜、控制板卡和场镜。其打印方法包括以下步骤：对被打印模型进行切片处理；确定打印位置和五轴联动机构的运行轨迹数据；使打印喷头打印方向与被打印面的法线方向重合并进行打印；激光束使导电墨水中的溶剂蒸发掉，形成导电线。本发明有效提高了三维打印效率，提升了被打印物品的品质。

Description

一种非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法

技术领域

本发明属于三维打印技术领域，尤其涉及一种打印效率高、打印质量好的非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法。

背景技术

三维打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术在珠宝、汽车、航空航天、教育、牙科和医疗产业等领域都有较为广泛的应用。目前的三维打印技术打印出的实体模型不具有任何电气特性，只能作为一个零件使用。因此，设计一种能在非展开曲面上打印导电图形的设备将具有非常重要的意义。

随着材料科学、激光技术、制造科学和信息技术等有关3D打印技术的发展，3D打印系统越来越完善。在导电线的打印技术中，导电材料的打印方式、固化方式等都对整个系统有着重要的影响。导电线的打印技术主要考虑两个问题：一是尽量提高导电线的导电率；二是在任何基底上快速打印出电子线路。

目前国内外导电线的打印方式主要有以下几种：

(1)、使用传统的方式(比如烧结、退火)固化导电墨水，由于导电墨水(如碳系导电墨水、高分子导电墨水、金属导电墨水)本身不具有导电性，在打印后需要经过一定的后处理工艺固化导电墨水，将导电墨水中的溶剂、分散剂、稳定剂等去除，使导电材料成为连续的薄膜后，才具备导电性。这种方法处理的缺点是：处理时间长，而且基底材料必须能够长时间承受高温，因此，对基底材料的要求比较高。

(2)、使用无需固化的低熔点金属复合打印技术，比如采用金属和705硅橡胶(非金属)墨水复合打印，首先在基底上用705硅橡胶打印第1层，待其固化后，在其上面用墨水打印第2层金属结构，随后再用705硅橡胶打印第三层。这种打印方法的缺点是：其打印时间较长，而且如果外面的封装(如硅胶)被破坏，液态金属就会处于不稳定状态，影响打印物品的品质。

另外，在现有的快速制造电子电路打印装置中，电子线路3D打印的实现方法是在一种柔性的基底比如纸质基底上打印一个2维的电子线路，再折叠成一个3维图形。比如在An inkjet printed near isotropic 3-D antenna with embedded electronics forwireless sensor applications；2014IEEE International Symposium on Antennas andPropagation&USNC/URSI National Radio Science Meeting,326-7,2014中就用了此类方法。

综上可见，目前三维导电线的打印技术中，需要一种打印速度快、效率高，且打印质量好的打印方法，以满足生产的需求。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法，其利用五轴联动机构在非展开曲面上打印导电墨水，再用激光固化导电墨水，最后形成电子线路，该方法能有效解决无法直接在非展开曲面进行微滴喷射打印和打印时导电墨水固化慢等问题，其有效提高了打印效率，提升了所打印物品的品质。

为解决现有技术中存在的问题，本发明采用的具体技术方案是：

一种非展开曲面导电图形的三维打印装置，其包括工作台、设于工作台上的五轴联动打印模块和与所述五轴联动打印模块相连接的激光固化模块。

所述五轴联动打印模块包括用于控制喷墨位置的五轴联动组、用于实现喷墨功能的喷墨供墨组、用于放置被打印模型的打印平台和数控系统；所述五轴联动组包括用于控制所述喷墨供墨组的喷墨位置分别向X、Y、Z各方向移动的三轴组：X轴组、Y轴组、Z轴组，和用于控制所述打印平台移动的两轴组：C轴组和A轴组；所述X轴组、Y轴组、Z轴组设于工作台的上部空间且相互连接，所述C轴组和A轴组由下而上依次设于工作台上，所述打印平台设于A轴组上；所述喷墨供墨组包括墨盒、墨水输送装置和打印喷头，所述墨盒设于工作台一侧，所述墨盒内设有负压调节装置，所述墨水输送装置一端与墨盒相连，另一端与打印喷头相连，所述打印喷头设于Z轴组下部；所述数控系统与五轴联动组和喷墨供墨组均相连并用于控制其运动。

所述激光固化模块包括半导体泵浦激光器、反射镜组、扫描振镜、控制板卡和场镜；所述半导体泵浦激光器设于工作台上，所述半导体泵浦激光器射出的光线与所述Y轴导轨方向平行；所述反射镜组设于Y轴组上并用于将由半导体泵浦激光器射出的光线进行反射；所述扫描振镜与所述Y轴滑板连接，用于改变X轴方向光线的方向；所述控制板卡与扫描振镜和半导体泵浦激光器均相连，用于控制扫描振镜的扫描路径和半导体泵浦激光器的输出功率；所述场镜与扫描振镜连接，将所述扫描振镜射出的光线聚焦射向打印平台。

其中，所述Y轴组包括Y轴精密丝杆、Y轴导轨、Y轴电机、Y轴滑板，所述Y轴精密丝杆与Y轴导轨沿Y轴平行安装在工作台上，所Y轴精密丝杆一端设有Y轴电机，所述Y轴滑板设于Y轴精密丝杆和Y轴导轨上，所述Y轴精密丝杆与Y轴滑板螺纹连接，Y轴电机带动Y轴精密丝杆旋转，Y轴精密丝杆带动Y轴滑板沿Y轴导轨做直线运动；所述X轴组包括X轴精密丝杆、X轴导轨、X轴电机、X轴滑板，所述X轴精密丝杆一端安装在Y轴滑板的上部，X轴精密丝杆与X轴导轨沿X轴平行设置，X轴滑板穿设于X轴精密丝杆与X轴导轨上，X轴精密丝杆与X轴滑板螺纹连接，X轴精密丝杆一端与X轴电机的输出轴相连，X轴电机带动X轴精密丝杆旋转，X轴精密丝杆带动X轴滑板沿X轴导轨做直线运动；所述Z轴组包括Z轴精密丝杆、Z轴导轨、Z轴电机、Z轴滑板；所述Z轴精密丝杆一端安装在X轴滑板上，Z轴精密丝杆与Z轴导轨沿Z轴平行设置，Z轴滑板穿设于Z轴精密丝杆与Z轴导轨上，Z轴精密丝杆与Z轴滑板螺纹连接，Z轴精密丝杆一端与Z轴电机的输出轴相连；Z轴电机带动Z轴精密丝杆旋转，Z轴精密丝杆带动Z轴滑板沿Z轴导轨做直线运动；所述C轴组包括C轴电机和C轴转台，所述C电机固定在工作台上，C轴转台设于C轴电机上，且C轴转台与C轴电机的转轴连接，C轴电机带动C轴转台沿C轴方向转动；所述A轴组包括A轴电机和A轴摆头，所述A电机固定在C轴转台上，A轴摆头设于A轴电机上，A轴摆头与A轴电机转轴连接，A轴电机带动A轴摆头沿A轴方向摆动。

所述反射镜组包括反射镜X、反射镜Y；所述反射镜Y与Y轴滑板连接，将所述半导体泵浦激光器射出的光线反射到Z轴方向；所述反射镜X与Y轴滑板连接，将所述Z轴方向的光线反射到X轴方向并射进扫描振镜的入光孔。

本发明还提供了一种非展开曲面导电图形的三维打印方法，其包括如下步骤：

S1、将被打印的非展开曲面导电模型固定于打印平台上，分析非展开曲面导电模型，并对被打印模型进行切片处理，将打印模型切割成多个小平面；

S2、根据切片处理后的模型，确定打印位置和五轴联动机构的运行轨迹数据；

S3、控制五轴联动机构工作，使打印喷头打印方向与被打印面的法线方向重合，并使打印喷头在曲面上进行打印工作，由于五轴联动机构一直让打印喷头的打印方向与被打印面的法线重合，所以此时打印出来的导电墨水暂时不会流动；

S4、扫描振镜控制激光束聚焦的位置，并移动激光束至被打印的位置，使导电墨水中的溶剂蒸发掉，并在曲面上形成导电线，由于激光的物理特点，在蒸发掉导电墨水中溶剂同时，也不会因为高温烧毁基材。

优选的方案，步骤S4所述溶剂包括分散剂、稳定剂。

通过采用以上技术方案，本发明一种非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法与现有技术对比，其技术效果在于：

1、本发明运用五轴联动机构，使待打印曲面的法线方向平行于打印喷头方向，避免了打印时导电墨水在曲面上流动，提高了打印质量。

2、利用激光固化导电墨水，有效提高了打印效率，提升了所打印物品的品质。

3、本发明采用X轴组、Y轴组、Z轴组来调整打印喷头的喷墨位置，采用C轴组和A轴组来调整打印平台的位置，可实现在非展开曲面进行自由的微滴喷射打印，使用更加方便。

附图说明

图1是本发明一种非展开曲面导电图形的三维打印装置的整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合附图和实施例对本发明进行作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实现本发明的技术方案是：首先根据切片处理分析得到的数据控制五轴联动机构让被打印面的法线一直处于打印喷头的打印方向；紧接着，激光束迅速移动到刚才被打印面上去，固化导电墨水，最后形成电子线路。

其具体步骤是：

第一步：将打印曲面固定在打印平台上，通过软件分析处理这个将要被打印的曲面，得到打印喷头和五轴联动机构的运动轨迹数据。

第二步：开始打印后，根据第一步得到的数据，各执行机构开始工作。五轴联动机构始终让被打印面的法线与打印喷头方向重合，当打印平台处于正确的位置之后，打印喷头开始喷墨打印。

第三步：在第二步过程中，每当打印喷头打印完一个面，扫描振镜就控制激光束迅速开始扫描刚才被打印的面，让导电墨水迅速固化不再流动。当一个面被打印和固化完之后，五轴联动机构就继续工作，让另一个打印面的法线方向与打印喷头方向重合，一直重复第二步和第三步，直到形成最终的导电图形。

为实现上述目的，本发明提供了一种非展开曲面导电图形的三维打印装置，如图1所示，其包括工作台1、设于工作台1上的五轴联动打印模块和与所述五轴联动打印模块相连接的激光固化模块。

所述五轴联动打印模块包括用于控制喷墨位置的五轴联动组、用于实现喷墨功能的喷墨供墨组、用于放置被打印模型的打印平台7和数控系统。

所述五轴联动组包括用于控制所述喷墨供墨组的喷墨位置分别向X、Y、Z各方向移动的三轴组：X轴组2、Y轴组3、Z轴组4，和用于控制所述打印平台移动的两轴组：C轴组5和A轴组6；所述X轴组2、Y轴组3、Z轴组4设于工作台1的上部空间且相互连接，所述C轴组5和A轴组6由下而上依次设于工作台1的台面上，所述打印平台7设于A轴组6上。

所述Y轴组3包括Y轴精密丝杆31、Y轴导轨32、Y轴电机33、Y轴滑板34，所述Y轴精密丝杆31与Y轴导轨32沿Y轴方向平行安装在工作台1上，所Y轴精密丝杆31一端设有Y轴电机33，所述Y轴滑板34穿设于Y轴精密丝杆31和Y轴导轨32上，所述Y轴精密丝杆31与Y轴滑板34螺纹连接，Y轴电机33带动Y轴精密丝杆31旋转,Y轴精密丝杆31带动Y轴滑板34沿Y轴导轨32做直线运动；所述X轴组2包括X轴精密丝杆21、X轴导轨22、X轴电机23、X轴滑板24，所述X轴精密丝杆21的一端安装在Y轴滑板34的上部，X轴精密丝杆21与X轴导轨22沿X轴平行设置，X轴滑板24穿设于X轴精密丝杆21与X轴导轨22上，X轴精密丝杆21与X轴滑板24螺纹连接，X轴精密丝杆21一端与X轴电机23的输出轴相连，X轴电机23带动X轴精密丝杆21旋转，X轴精密丝杆21带动X轴滑板24沿X轴导轨22做直线运动；所述Z轴组4包括Z轴精密丝杆41、Z轴导轨42、Z轴电机43、Z轴滑板44；所述Z轴精密丝杆41的一端安装在X轴滑板24上，Z轴精密丝杆41与Z轴导轨42沿Z轴平行设置，Z轴滑板44穿设于Z轴精密丝杆41与Z轴导轨42上，Z轴精密丝杆41与Z轴滑板44螺纹连接，Z轴精密丝杆41一端与Z轴电机43的输出轴相连，Z轴电机43带动Z轴精密丝杆41旋转，Z轴精密丝杆41带动Z轴滑板44沿Z轴导轨42做直线运动。

所述C轴组5包括C轴电机51和C轴转台52，所述C电机51固定在工作台上，C轴转台52设于C轴电机51上，且C轴转台52与C轴电机51的转轴连接，C轴电机51带动C轴转台52沿C轴方向转动；所述A轴组6包括A轴电机61和A轴摆头62，所述A电机61固定在C轴转台52上，A轴摆头62设于A轴电机61上，A轴摆头62与A轴电机61的转轴连接，A轴电机61带动A轴摆头62沿A轴方向摆动。

所述喷墨供墨组包括墨盒8、墨水输送装置9和打印喷头10，所述墨盒8设于工作台1的一侧，所述墨盒8内设有负压调节装置，所述墨水输送装置9一端与墨盒8相连，另一端与打印喷头10相连，所述打印喷头10固定设于Z轴组4的下部；所述数控系统与五轴联动组和喷墨供墨组均相连并用于控制其运动。

所述激光固化模块包括半导体泵浦激光器11、反射镜组、扫描振镜12、控制板卡和场镜；所述半导体泵浦激光器11设于工作台1上，所述半导体泵浦激光器11射出的光线与所述Y轴导轨32的方向平行；所述反射镜组设于Y轴组3上并用于将由半导体泵浦激光器11射出的光线进行反射；所述扫描振镜12与所述Y轴滑板34连接，用于改变X轴方向光线的方向；所述控制板卡与扫描振镜12和半导体泵浦激光器11均相连，用于控制扫描振镜12的扫描路径和半导体泵浦激光器11的输出功率；所述场镜与扫描振镜12连接，将所述扫描振镜射出的光线聚焦射向打印平台7。

其中，所述反射镜组包括反射镜X13和反射镜Y14；所述反射镜Y14与Y轴滑板34连接，将所述半导体泵浦激光器11射出的光线反射到Z轴方向；所述反射镜X13与Y轴滑板34连接，将所述Z轴方向的光线反射到X轴方向并射入扫描振镜12的进光孔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种非展开曲面导电图形的三维打印装置，其特征在于，其包括工作台、设于工作台上的五轴联动打印模块和与所述五轴联动打印模块相连接的激光固化模块；

所述五轴联动打印模块包括用于控制喷墨位置的五轴联动组、用于实现喷墨功能的喷墨供墨组、用于放置被打印模型的打印平台和数控系统；所述五轴联动组包括用于控制所述喷墨供墨组的喷墨位置分别向X、Y、Z各方向移动的三轴组：X轴组、Y轴组、Z轴组，和用于控制所述打印平台移动的两轴组：C轴组和A轴组；所述X轴组、Y轴组、Z轴组设于工作台的上部空间且相互连接，所述C轴组和A轴组由下而上依次设于工作台上，所述打印平台设于A轴组上；所述喷墨供墨组包括墨盒、墨水输送装置和打印喷头，所述墨盒设于工作台一侧，所述墨盒内设有负压调节装置，所述墨水输送装置一端与墨盒相连，另一端与打印喷头相连，所述打印喷头设于Z轴组下部；所述数控系统与五轴联动组和喷墨供墨组均相连并用于控制其运动；

所述激光固化模块包括半导体泵浦激光器、反射镜组、扫描振镜、控制板卡和场镜；所述半导体泵浦激光器设于工作台上，所述半导体泵浦激光器射出的光线与所述Y轴导轨方向平行；所述反射镜组设于Y轴组上并用于将由半导体泵浦激光器射出的光线进行反射；所述扫描振镜与所述Y轴滑板连接，用于改变X轴方向光线的方向；所述控制板卡与扫描振镜和半导体泵浦激光器均相连，用于控制扫描振镜的扫描路径和半导体泵浦激光器的输出功率；所述场镜与扫描振镜连接，将所述扫描振镜射出的光线聚焦射向打印平台；

所述Y轴组包括Y轴精密丝杆、Y轴导轨、Y轴电机、Y轴滑板，所述Y轴精密丝杆与Y轴导轨沿Y轴平行安装在工作台上，所Y轴精密丝杆一端设有Y轴电机，所述Y轴滑板设于Y轴精密丝杆和Y轴导轨上，所述Y轴精密丝杆与Y轴滑板螺纹连接，Y轴电机带动Y轴精密丝杆旋转，Y轴精密丝杆带动Y轴滑板沿Y轴导轨做直线运动；所述X轴组包括X轴精密丝杆、X轴导轨、X轴电机、X轴滑板，所述X轴精密丝杆一端安装在Y轴滑板的上部，X轴精密丝杆与X轴导轨沿X轴平行设置，X轴滑板穿设于X轴精密丝杆与X轴导轨上，X轴精密丝杆与X轴滑板螺纹连接，X轴精密丝杆一端与X轴电机的输出轴相连，X轴电机带动X轴精密丝杆旋转，X轴精密丝杆带动X轴滑板沿X轴导轨做直线运动；所述Z轴组包括Z轴精密丝杆、Z轴导轨、Z轴电机、Z轴滑板；所述Z轴精密丝杆一端安装在X轴滑板上，Z轴精密丝杆与Z轴导轨沿Z轴平行设置，Z轴滑板穿设于Z轴精密丝杆与Z轴导轨上，Z轴精密丝杆与Z轴滑板螺纹连接，Z轴精密丝杆一端与Z轴电机的输出轴相连；Z轴电机带动Z轴精密丝杆旋转，Z轴精密丝杆带动Z轴滑板沿Z轴导轨做直线运动；所述C轴组包括C轴电机和C轴转台，所述C轴电机固定在工作台上，C轴转台设于C轴电机上，且C轴转台与C轴电机的转轴连接，C轴电机带动C轴转台沿C轴方向转动；所述A轴组包括A轴电机和A轴摆头，所述A轴电机固定在C轴转台上，A轴摆头设于A轴电机上，A轴摆头与A轴电机转轴连接，A轴电机带动A轴摆头沿A轴方向摆动；

所述反射镜组包括反射镜X、反射镜Y；所述反射镜Y与Y轴滑板连接，将所述半导体泵浦激光器射出的光线反射到Z轴方向；所述反射镜X与Y轴滑板连接，将所述Z轴方向的光线反射到X轴方向并射进扫描振镜的入光孔；

所述的非展开曲面导电图形的三维打印装置的打印方法包括如下步骤：

S1、将被打印的非展开曲面导电模型固定于打印平台上，分析非展开曲面导电模型，并对被打印模型进行切片处理；

S2、根据切片处理后的模型，确定打印位置和五轴联动机构的运行轨迹数据；

S3、控制五轴联动机构工作，使打印喷头打印方向与被打印面的法线方向重合，并使打印喷头在曲面上进行打印工作；

S4、扫描振镜控制激光束聚焦的位置，并移动激光束至被打印的位置，使导电墨水中的溶剂蒸发掉，并在曲面上形成导电线；

步骤S1所述对被打印模型进行切片处理是指将打印模型切割成多个小平面；

步骤S4所述溶剂包括分散剂、稳定剂。