CN107344238B - 可移动机器人式液态金属打印装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可移动机器人式液态金属打印装置及方法，本发明的装置包括控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元及打印单元。控制单元解析出所需打印的液态金属线路，向驱动单元发送控制指令；驱动单元控制移动单元和贴附单元，令整个装置移动至空间指定位置并稳定贴附于工作面；打印单元通过自动调整喷头，将液态金属或封装材料印制于工作面表面；装置还可以依据指令移动，实现多区域连续打印。本发明能够自行移动至位于空间不同位置的工作面直接进行液态金属线路的打印和封装，打破了固定式设备对打印尺寸、位置等的诸多局限，进一步提升了液态金属电子线路快速制造的效率和个性化程度。

Description

可移动机器人式液态金属打印装置及方法

技术领域

本发明涉及电路印刷技术领域，更具体涉及一种可移动机器人式液态金属打印装置及方法。

背景技术

液态金属是一系列低熔点金属及合金材料的统称，作为一种导电材料，由于可以在室温或较低的加热温度下就兼具流动性，因此液态金属可以被直接印制于各类基底材料表面，从而实现电子线路的快速增材制造。相对于传统覆铜印制电路的加工，液态金属印制电路速度快、适于多种基材，并且可以在曲面印制电路；此外，液态金属印制电路相对传统的铜腐蚀电路，加工过程更加节能环保。

目前液态金属的印制方式大致可以分为区域喷涂和精细印制两种类型。区域喷涂法一般需要与掩膜结合，能够对掩膜覆盖区域进行印制，并在完成后只通过更换基底就可以快速进行下一次印制，能够适应统一规格的液态金属印制电路的批量化生产。精细印制则能够基于程序设计进行快速实现和修改，可以进行更加自由的定制化开发，更加适用于满足多场景、个性化的电子线路快速制造需求。

然而，现有的液态金属印制设备均为单体式固定装置，需要先将待印制的基底材料送入，再将印有液态金属线路的基底放置、贴附或转印于所需场景下，使用过程复杂，印制线路的尺寸受到了设备设计尺寸的限制，特别是在许多应用场景下，待打印的表面位于墙壁、顶棚等特殊位置，或是无法以非破坏性手段送入打印设备，这就大大限制了液态金属电子线路快速制造的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种可移动机器人式液态金属打印装置或方法，以克服上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可移动机器人式液态金属打印装置，所述装置包括控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元以及打印单元；

所述控制单元用于获取并解析线路文件得到打印线路，根据所述打印线路生成控制指令，向所述驱动单元发出所述控制指令，并接收所述驱动单元的反馈信号；

所述驱动单元用于接收所述控制单元发送的所述控制指令并转换为所述移动单元、所述贴附单元、所述打印单元的移动指令、贴附指令以及打印指令，并将所述移动单元、所述贴附单元以及所述打印单元的执行反馈信息发送给所述控制单元；

所述移动单元用于接收所述驱动单元发送的移动指令，并根据所述移动指令控制所述装置在三维空间内进行移动；

所述贴附单元用于接收所述驱动单元发送的贴附指令，并根据所述铁贴附指令控制所述装置在静止、移动或打印过程中，对任意朝向的所在表面附着固定；

所述打印单元用于接收所述驱动单元发送的打印指令，并根据所述打印指令进行打印操作。

优选地，所述装置还包括机体，所述控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元、打印单元固定于所述机体上，所述机体为所述控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元以及打印单元的连通提供空间。

优选地，所述控制单元还用于对所述装置进行定位，并根据定位得到的数据对所述打印线路进行修正。

优选地，所述控制单元还用于工作面图像识别，并结合识别得到的数据生成所述控制指令。

优选地，所述移动单元为足式、轮式、轨道式、磁悬浮式、喷气式、旋翼式、静电牵引式或仿生章鱼触手式移动结构。

优选地，所述贴附单元的附着方式为负压吸盘、表面粘胶、静电吸附、电磁吸附、轨道固定、螺纹固定、勾连固定或仿生柔性褶皱表面吸附。

优选地，所述打印单元包括多轴稳定装置、墨盒以及喷头；所述多轴稳定装置用于调节所述喷头与工作面的角度和距离；所述墨用于储存液态金属材料；所述喷头用于喷射所述液态金属材料。

优选地，所述打印单元还包括摄像头，所述摄像头用于采集图像，将工作面、液态金属线路及其封装的印制情况通过所述驱动单元反馈至所述控制单元。

一种可移动机器人式液态金属打印方法，所述方法利用上述装置进行打印，包括以下步骤：

S1、控制单元获取并解析线路文件得到打印线路，根据所述打印线路生成控制指令，向驱动单元发出所述控制指令，并接收所述驱动单元的反馈信号；

S2、驱动单元接收所述控制单元发送的所述控制指令并转换为所述移动单元、所述贴附单元、所述打印单元的移动指令、贴附指令以及打印指令；

S3、移动单元接收所述驱动单元发送的移动指令，并根据所述移动指令控制所述装置在三维空间内进行移动；

S4、贴附单元接收所述驱动单元发送的贴附指令，并根据所述铁贴附指令控制所述装置在静止、移动或打印过程中，对任意朝向的所在表面附着固定；

S5、打印单元接收所述驱动单元发送的打印指令，并根据所述打印指令进行打印操作。

优选地，所述步骤S1中还包括以下步骤：

所述控制单元对所述装置进行定位，并根据定位得到的数据对所述打印线路进行修正。

本发明提供了一种可移动机器人式液态金属打印装置或方法，本发明的装置能够自行移动至与地面成任意角度的待打印区域针对各种类型的工作面直接进行液态金属线路的打印和封装，打破了固定式液态金属印制设备对打印尺寸、位置等的诸多局限，进一步提升了液态金属电子线路快速制造的效率和个性化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一个较佳实施例的可移动机器人式液态金属打印装置的结构示意图；

图2是本发明的另一个较佳实施例的可移动机器人式液态金属打印装置的结构示意图；

图3是本发明的再一个较佳实施例的可移动机器人式液态金属打印装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

可移动机器人式液态金属打印装置，如图1所示，所述装置包括控制单元2、驱动单元3、移动单元4、贴附单元5以及打印单元6；所述控制单元用于获取并解析线路文件及相关配置文件得到打印线路，根据所述打印线路生成控制指令，向所述驱动单元发出所述控制指令，并接收所述驱动单元的反馈信号。所述驱动单元用于接收所述控制单元发送的所述控制指令并转换为所述移动单元、所述贴附单元、所述打印单元的移动指令、贴附指令以及打印指令，并将所述移动单元、所述贴附单元以及所述打印单元的执行反馈信息发送给所述控制单元。所述移动单元用于接收所述驱动单元发送的移动指令，并根据所述移动指令控制所述装置在三维空间内进行移动。所述贴附单元用于接收所述驱动单元发送的贴附指令，并根据所述贴附指令控制所述装置在静止、移动或打印过程中，对任意朝向的所在表面附着固定。所述打印单元用于接收所述驱动单元发送的打印指令，并根据所述打印指令进行打印操作。

其中，所述控制单元通过有线或无线通信的方式向驱动单元提供具体的控制指令并接收反馈信息，所述控制单元可以是专用工控机，亦可以是个人电脑、平板电脑、手机或其他任何可打开和解析线路文件及相关配置文件的设备。

其中，所述驱动单元可以通过传感器获取伊东单元、贴附单元以及打印单元的执行情况，将反馈信息发送给控制单元，所述驱动单元可以是一块整体的板卡，也可以是分布于各个单元的独立板卡或模块。

上述装置能够自行移动至与地面成任意角度的待打印区域针对各种类型的工作面直接进行液态金属线路的打印和封装，打破了固定式液态金属印制设备对打印尺寸、位置等的诸多局限，进一步提升了液态金属电子线路快速制造的效率和个性化程度。

进一步地，如图1所示，所述装置还包括机体1，所述控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元、打印单元固定于所述机体上。所述的机体用于为所述控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元、打印单元提供附着、固定、保护及供能，并为各个单元间的隔离与连通提供空间。

进一步地，所述控制单元还用于对所述装置进行定位，并根据定位得到的数据对所述打印线路进行修正。

所述控制单元还用于工作面图像识别，并结合识别得到的数据生成所述控制指令，后续的通过所述控制指令对打印单元进行的打印操作进行控制。

进一步地，所述移动单元为能够使机体及固定于机体上的各个单元进行三维空间内位置移动的机械或机电一体化结构，其结构形式为足式、轮式、轨道式、磁悬浮式、喷气式、旋翼式、静电牵引式或仿生章鱼触手式移动结构。

进一步地，所述贴附单元的附着方式为负压吸盘、表面粘胶、静电吸附、电磁吸附、轨道固定、螺纹固定、勾连固定或仿生柔性褶皱表面吸附。

进一步地，所述打印单元在机体中可以有一组或多组，一组打印单元包括多轴稳定装置、墨盒以及喷头；所述多轴稳定装置用于调节所述喷头与工作面的角度和距离；所述墨用于储存液态金属材料；所述喷头用于喷射所述液态金属材料。所述打印单元通过挤出、加热、电致喷射、磁控喷射、气体或压电驱动等方法使得墨盒中储存的液态金属或封装材料由喷头喷出并附着在工作面上形成液态金属线路及其封装。

进一步地，所述打印单元还包括摄像头，所述摄像头用于采集图像，将工作面、液态金属线路及其封装的印制情况通过所述驱动单元反馈至所述控制单元。

进一步地，所述液态金属的材料选自镓、铟、锡、锌、铋、铅、镉、铜、银、金、汞、钠、钾、铝、铁、钴、镍、锰、钛、钒等中的一种或多种，其形式可以是金属单质、合金，也可以是金属纳米颗粒与流体分散剂混合形成的导电纳米流体。

进一步地，所述工作面为与地面成任意角度的平面或曲面，其表面材质包括高分子聚合物、玻璃、陶瓷、木材、纸张、固体金属单质及合金等中的一种或几种，所述的高分子聚合物包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚乳酸、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚砜、硅胶、橡胶等。

对应于上述装置本发明还公开了一种可移动机器人式液态金属打印方法，包括以下步骤：

S1、控制单元获取并解析线路文件得到打印线路，根据所述打印线路生成控制指令，向驱动单元发出所述控制指令，并接收所述驱动单元的反馈信号；

S2、驱动单元接收所述控制单元发送的所述控制指令并转换为所述移动单元、所述贴附单元、所述打印单元的移动指令、贴附指令以及打印指令；

S3、移动单元接收所述驱动单元发送的移动指令，并根据所述移动指令控制所述装置在三维空间内进行移动；

S4、贴附单元接收所述驱动单元发送的贴附指令，并根据所述贴附指令控制所述装置在静止、移动或打印过程中，对任意朝向的所在表面附着固定；

S5、打印单元接收所述驱动单元发送的打印指令，并根据所述打印指令进行打印操作。

所述步骤S1中还包括以下步骤：

所述控制单元对所述装置进行定位，并根据定位得到的数据对所述打印线路进行修正。

下面再通过几个具体的实施例对上述方法和装置进行详细介绍。

如图2，本实施例为一种足式单喷头的可移动机器人式液态金属打印装置。

本实施例包括机体201、控制板卡202、驱动板卡203、足式结构204、负压吸盘205、加热打印头206。其中，控制板卡202是一个带有输入和显示功能的电路板卡，是装置的控制单元；驱动板卡203用于根据指令输出各种控制信号，是装置的驱动单元；控制板卡202与驱动板卡203彼此直接通过有线方式连接，并一同固定于机体201之上；足式结构204为通过电机驱动和液压传动的机械组件，在机体上共有6只，是装置的移动单元；在每一个足式结构的底部均连接有负压吸盘205，是装置的贴附单元；加热打印头206是装置的打印单元，为一带有加热装置的喷头，将铋铟锡合金喷涂于环氧树脂208的表面。

当控制板卡202读入液态金属线路图及打印区域的相关文件后，将解析出的指令发送至驱动板卡203，进而为足式结构204提供控制信号，令其可以仿照昆虫爬行的步态进行交替运动，带动整个机体及其上组件的移动。移动过程中，每当足式结构需要抬起，负压吸盘205就会去除吸盘中的负压；而一旦足式结构落下，负压吸盘205就会迅速在吸盘中产生负压，使该吸盘所在的足式结构稳定吸附于玻璃207的表面而不发生滑动或脱离。在到达指定工作面后，位于机体底部的加热打印头206会启动加热，使机体内墨盒中的铋铟锡合金融化，在通过加热打印头206喷涂于环氧树脂208的表面。喷涂既可以在整个设备静止时进行，也可以在机体移动的过程中同步进行。待喷涂完成后，若仍有待打印的图形，整个设备移动至新的打印区域再次开始打印；若打印已结束，加热打印头206会停止加热，整个设备在原地或移动至指定位置后停止工作。

如图3，本实施例为一种遥控、旋翼式、双喷头并带有图像采集功能的移动机器人式液态金属打印装置。

本实施例包括机体301、手机302、驱动板卡303、旋翼304、液态金属喷头305、光固化胶喷头306、紫外灯307、摄像头308。手机302是装置的控制单元，驱动板卡303是装置的驱动单元，旋翼304是装置的移动单元，围绕机体301共有8个，根据驱动板卡303的信号，可以令整个装置在三维空间内飞行移动或悬停，液态金属喷头305、光固化胶喷头306、紫外灯307、摄像头308共同组成了装置的打印单元，摄像头308有2个，镓铟合金309被喷涂于吊顶玻璃311表面，并在表面覆盖光固化胶310进行封装。

当手机202读入液态金属线路图及打印区域文件后，可以通过蓝牙向驱动板卡303无线发送指令，并产生控制旋翼304旋转的信号，从而手动或自动使机体301移动到吊顶玻璃311待打印区域的下方并悬停。打印过程中，液态金属喷头305利用气压喷出液态金属材料镓铟合金309，光固化胶喷头306则利用气压喷出光固化胶310，紫外灯307用于使光固化胶310固化，从而对液态金属线路进行快速封装。2个摄像头308用于拍摄工作面以及印于其上的液态金属与封装材料的情况，并通过驱动板卡303反馈到手机302。待喷涂完成后，若仍有待打印的图形，整个设备飞行至新的打印区域再次开始打印和封装；若打印已结束，整个设备返回至地面指定位置后停止工作。

一种可移动机器人式液态金属打印方法，包括以下步骤：

1)控制单元在读取到所需打印的液态金属线路及其相关配置文件后，能够解析出所需打印的液态金属线路及其位置，并将指令通过有线或无线通信发送至驱动单元；

2)驱动单元基于指令及传感器信息，控制移动单元和贴附单元，令整个机体移动至与地面成任意角度的空间指定位置，并稳定贴附于工作面；

3)打印单元根据驱动单元信号，自动调整喷头与工作面的角度和距离，将液态金属及封装材料印制于工作面表面，并可通过摄像头等传感器将印制情况通过驱动单元反馈至控制单元，以对打印过程进行实时调控；

4)当前位置打印完成后，机体依据控制单元指令移动至下一打印位置继续进行打印，或移动至指定停止位置结束打印。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述装置包括控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元以及打印单元；

所述控制单元用于获取并解析线路文件得到打印线路，根据所述打印线路生成控制指令，向所述驱动单元发出所述控制指令，并接收所述驱动单元的反馈信号；

所述驱动单元用于接收所述控制单元发送的所述控制指令并转换为所述移动单元、所述贴附单元、所述打印单元的移动指令、贴附指令以及打印指令，并将所述移动单元、所述贴附单元以及所述打印单元的执行反馈信息发送给所述控制单元；

所述移动单元用于接收所述驱动单元发送的移动指令，并根据所述移动指令控制所述装置在三维空间内进行移动；

所述贴附单元用于接收所述驱动单元发送的贴附指令，并根据所述贴附指令控制所述装置在静止、移动或打印过程中，对任意朝向的所在表面附着固定；

所述打印单元用于接收所述驱动单元发送的打印指令，并根据所述打印指令进行打印操作。

2.根据权利要求1所述的可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述装置还包括机体，所述控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元、打印单元固定于所述机体上，所述机体为所述控制单元、驱动单元、移动单元、贴附单元以及打印单元的连通提供空间。

3.根据权利要求1所述的可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述控制单元还用于对所述装置进行定位，并根据定位得到的数据对所述打印线路进行修正。

4.根据权利要求1或3所述的可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述控制单元还用于工作面图像识别，并结合识别得到的数据生成所述控制指令。

5.根据权利要求1所述的可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述移动单元为足式、轮式、轨道式、磁悬浮式、喷气式、旋翼式、静电牵引式或仿生章鱼触手式移动结构。

6.根据权利要求1所述的可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述贴附单元的附着方式为负压吸盘、表面粘胶、静电吸附、电磁吸附、轨道固定、螺纹固定、勾连固定或仿生柔性褶皱表面吸附。

7.根据权利要求1所述的可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述打印单元包括多轴稳定装置、墨盒以及喷头；所述多轴稳定装置用于调节所述喷头与工作面的角度和距离；所述墨盒用于储存液态金属材料；所述喷头用于喷射所述液态金属材料。

8.根据权利要求7所述的可移动机器人式液态金属打印装置，其特征在于，所述打印单元还包括摄像头，所述摄像头用于采集图像，将工作面、液态金属线路及其封装的印制情况通过所述驱动单元反馈至所述控制单元。

9.一种可移动机器人式液态金属打印方法，其特征在于，所述方法利用权利要求1至2及4至8中任一项所述的可移动机器人式液态金属打印装置进行打印，包括以下步骤：

S1、控制单元获取并解析线路文件得到打印线路，根据所述打印线路生成控制指令，向驱动单元发出所述控制指令，并接收所述驱动单元的反馈信号；

S2、驱动单元接收所述控制单元发送的所述控制指令并转换为所述移动单元、所述贴附单元、所述打印单元的移动指令、贴附指令以及打印指令；

S3、移动单元接收所述驱动单元发送的移动指令，并根据所述移动指令控制所述装置在三维空间内进行移动；

S4、贴附单元接收所述驱动单元发送的贴附指令，并根据所述贴附指令控制所述装置在静止、移动或打印过程中，对任意朝向的所在表面附着固定；

S5、打印单元接收所述驱动单元发送的打印指令，并根据所述打印指令进行打印操作。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括以下步骤：

所述控制单元对所述装置进行定位，并根据定位得到的数据对所述打印线路进行修正。