CN107512083B - 一种复杂曲面电路共形喷印方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于电流体动力喷印领域，并公开了一种复杂曲面电路共形喷印方法和设备。该设备包括球形电机模块、平动模块和共形喷印模块，平动模块带动所述球形电机模块在平面内做X和Y轴方向的移动；共形喷印模块包括喷头部分和电气信号部分，喷头部分上下运动实现Z轴方向的自由度，电气信号部分向墨盒中的墨液和电极环施加电压；球形电机模块绕X、Y和Z方向旋转实现待喷印物六自由度运动，曲面基板接地使得待喷印物电势为零，墨液中被施加电压高于电极环中施加电压，从而使得所述墨液、电极环和待喷印物上形成梯度电势差。通过本发明，实现了复杂曲面的共形图案化电喷印工艺，提高电喷印工艺的应用范围，降低制造成本，提高喷印精度。

Description

一种复杂曲面电路共形喷印方法和设备

技术领域

本发明属于电流体动力喷印领域，更具体地，涉及一种复杂曲面电路共形喷印设备。

背景技术

柔性曲面电子技术是当今最令人激动和最有前景的信息技术之一，它是建立在可弯曲基板(塑料、金属薄板、玻璃等)上的新兴电子技术，曲面电子涉及新材料和制造技术，在航空航天、柔性显示、柔性传感和柔性能源等领域有着广泛的应用。现阶段较为成熟的应用领域为民用柔性显示和柔性传感领域，如触摸屏、曲面可穿戴设备等曲面电子产品。同时，军用曲面电子技术的发展和投入比重也越来越大，欧美发达国家纷纷制定了针对柔性电子的重大研究计划，如美国FDCASU计划、日本TRADIM计划、欧盟地平线计划等；柔性曲面电子制造工艺范围较大，包含光刻工艺、转印工艺、喷印工艺等等。在柔性曲面电子制作的过程中，可大致分为两种模式：一种为首先单独制造独立的封装器件，通过转印工艺将其转印到目标曲面柔性基板上，之后在曲面柔性基板上制作大量的导电线路进行互联；另一种是直接在曲面柔性基板上制造导电功能线路，从而完成柔性曲面电子的制造过程。综上，无论选择哪种模式，大量高品质的曲面电子导电线路制备无疑是柔性曲面电子制造的重要环节。

针对曲面导电线路或功能电路，并没有成熟的光刻制备工艺，目前主要研究的全息光刻工艺，难以应对复杂的曲面，而且对镀膜的要求非常高，在使用中受到一定限制，此外光刻工艺同时具有成本昂贵、工艺过程繁琐、材料浪费率太大等缺点，越来越多的人采用喷墨打印技术替代光刻工艺，达到曲面功能线路制备的目的。黄进在(专利申请号：201610052704.2)中提出了一种非展开曲面导电图形的三维打印装置及打印方法，即采用传统喷墨打印的方式结合五轴数控技术对目标曲面基底进行打印。而传统喷墨打印技术主要采用静电连续式、压电式和热气泡式喷墨，存在着喷印打印分辨率低、液滴尺寸受限于喷嘴直径、喷嘴容易堵塞、喷嘴制造工艺复杂；与传统喷印采用“推”方式不同，电流体动力喷印采用电场驱动以“拉”方式从所形成的“泰勒锥”锥顶端产生极细的射流，具有颗粒或聚合物溶液易于喷出而不发生堵塞，可打印高粘度导电液体等优势，其打印分辨率不受喷嘴直径的直接影响，可实现亚微米分辨率打印，可用于柔性电子电路、可穿戴电子设备、太阳能电池、生物功能器件等领域。所以，以电流体动力喷印工艺取代传统喷墨打印技术进行柔性电子制备研究被越来越多的人广泛接受和应用。但是，电流体动力喷印工艺的形成与稳定同时受多种参数同时影响，包括所施加的电压幅值、频率、占空比，喷嘴高度、直径、流量等。在喷印过程中，只有在稳定电场的作用下，形成稳定的锥射流，才能保证液滴连续、均匀的喷出。因此，目前的较成熟的电流体动力学喷印设备出于保证电场稳定的原因，限制了喷印方向同基板保持垂直以及喷嘴和基板高度不变的条件，从而只能在平面基板上完成喷印作业，具体包括在如硅、玻璃等硬质平面基板以及PI等柔性平面介质上完成喷印和套印；由于曲面基板的形状复杂，局部法线方向与基板距喷嘴距离实时变化，依靠现有喷印方法不能形成稳定电场，所以可以完成曲面图案化电路共形喷印的电流体动力喷印设备较少。仅有的可以曲面图案化电路共形喷印设备或方法所针对的也只能是简单曲面，如曲率比较小的球形或椭球形，针对复杂曲面如任意曲面、曲率半径变化较大的曲面或含有正余弦函数的参数曲面则不能完成喷印过程。

以美国Optomec公司生产的Aerosol Jet 5X设备结合了传统数控加工的方法，将五轴联动和气溶胶喷印工艺运用到柔性曲面图案化电路共形喷印过程中。但气溶胶喷印方法不能解决传统喷印所遇到的精准定位、喷印线宽过宽、同时需要气路电路造成的实验条件要求苛刻等缺点；且运用两个旋转轴及三个平动轴的五轴联动方式完成6自由度的运动极大的增加了路径规划后处理的难度，降低了喷印效率；张礼兵在(专利申请号：201610714601.8)中提出了一种曲面基板的电流体动力学打印设备及其控制方法，将电喷印工艺直接集成在五轴平台上，从原理上实现了曲面电流体喷印。但因为在单一时刻，喷嘴附近处所面对的曲面基板为曲面，间距不统一，导致喷嘴与曲面基板间的电场不均匀，从而不能保证电喷印过程的正常性、均匀性以及稳定性，更不能保证喷印效果的精度和直线度；尹周平在(专利申请号：201310302476.6)中提出了一种基于电喷印的立体结构的制备方法及装置，利用球形电机配合平面运动，结合电喷印的方式增材制造三维空间立体结构，该立体结构中可以包含曲面。但其仅能在空间范围内制备简单立体或曲面结构，不能完成曲面功能电子器件的共形和图案化制造，不能制备出复杂的、高品质、满足应用需求的图案化功能电路；鉴于曲面功能电子器件对共形喷印的迫切需求，设计一种用于解决上述问题的复杂曲面电流体动力共形喷印系统具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种复杂曲面电路共形喷印设备，通过球形电机、平动模块和喷嘴的设置，实现了六自由度的运动，同时，所述墨液、电极环和曲面基板的设置，形成电势差梯度，其目的在于保证稳定的喷印电场，由此解决复杂曲面的难于加工以及喷印精度和效果差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种复杂曲面电路共形喷印设备，该设备包括球形电机模块、平动模块和共形喷印模块，其特征在于，

所述平动模块设置在所述球形电机模块的下方，该平动模块带动所述球形电机模块在平面内做X和Y轴方向的移动，进而实现该球形电机模块上待喷印物在X和Y轴方向的自由度；

所述共形喷印模块包括喷头部分和电气信号部分，所述喷头部分包括墨盒、喷嘴和电极环，该喷头部分上下运动实现Z轴方向的自由度，所述喷嘴设置于所述墨盒的下方，所述电极环设置于所述喷嘴的下方，该电极环直径小于所述喷嘴的上顶面的直径，所述电气信号部分包括高压放大器和信号发生器，其中，所述高压放大器和信号发生器用于向所述墨盒中的墨液和电极环施加电压；

该球形电机与所述X、Y和Z轴方向的自由度结合，由此实现待喷印物六个自由度的喷印，所述曲面基板与所述球形电机连接并设置在所述球形电机的上方，用于放置待喷印物；

此外，所述曲面基板接地使得待喷印物的电势为零，所述墨液中被施加的电压高于所述电极环中施加的电压，从而使得所述墨液、电极环和待喷印物上形成梯度电势差，由此保证待喷印物姿态变化过程中稳定的电场。

进一步优选地，所述球形电机模块上还设置有姿态实时测量装置，用于检测和实时反馈球形电机的姿态。

进一步优选地，所述球形电机上外壳上设置有物理限位，该限位用于限制所述球形电机绕X、Y轴方向旋转的过度运动，用于消除所述喷头或其他部件与所述目标曲面基板的干涉情况。

进一步优选地，所述球形电机模块的信号以欧拉角值的形式进行输入和变换。

进一步优选地，所述电气信号部分还包括流量泵，该流量泵用于调整所述喷嘴中喷出的墨液流量。

进一步优选地，所述球形电机模块还包括重力平衡装置，该重力平衡装置与所述球形电机连接且设置在所述球形电机的下方，用于平衡所述球形电机保持所述曲面基板的平稳。

进一步优选地，所述球形电机的外壳所述采用的材料具有屏蔽电信号功能，用于减少该球形电机内部的电磁信号对其外部电场的影响。

按照本发明的另一方面，一种上述所述的共形喷印设备的喷印方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)建立待喷印曲面物体的三维模型，并将所需在该待喷印曲面物体表面喷印的图案和该图案对应的工艺状态要求导入所述三维模型中，然后将所述待喷印曲面物体放置在曲面基板上；

(b)在所述三维模型中，将所述图案分解为多条线段并为每条线段设置喷印顺序，将所述的每条线段离散为多个离散点，结合待喷印曲面物体在曲面基板上所处的位置，获取每个离散点的六自由度的运动轨迹位置和工艺状态要求，该运动轨迹位置包括X、Y和Z轴以及球形电机绕所述X、Y和Z轴旋转的旋转坐标，所述工艺状态要求包括高压放大器和信号发生器施加的电压和流量泵控制喷嘴的流量；

(c)将所述离散点的运动轨迹位置和工艺状态要求解析为共形喷印设备的指令，该共形喷印设备按照该指令并结合所述喷印顺序依次喷印，从而完成所需喷印的图案在待喷印曲面物体表面的喷印。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明通过采用球形电机，其与所述X、Y、Z运动轴运动信息耦合的过程中，使用套嵌坐标系，即在平动坐标系中直接加载一个旋转坐标系，从而省去了原五轴运动方式中从六坐标点位信息到五轴运动值之间复杂而又繁琐的矢量变换；

2、本发明通过采用高压放大器和信号发生器为导电墨液施加高电压，在电极环上施加低电压，再结合被喷印物体上的零电势，即形成了对球形电机模块无影响，不随被喷印物体姿态运动而改变的稳定电场，从而使得喷嘴处的导电墨液平稳喷出，喷印精度高，效果好；

3、本发明运用电流体动力喷印的方式制备柔性曲面电子，降低了制造成本，提高了喷印精度，运用六自由度运动平台，能够保证喷印曲面的法线与喷头方向重合，辅以电机环的功效和参数设置的匹配，能够提供稳定的电流体喷印工艺环境，保证电喷印过程中“泰勒锥”的稳定形成与保持；结合本发明中的喷印方法，可以实现针对复杂曲面的共形图案化工艺，通过制备出直线度高、均匀性好、连贯性强、电学性能优秀的高品质线路与器件，突破了传统喷印图案化电子制备仅局限于在小曲率简单曲面或平面上制备的限制，提高了电喷印图案化共形工艺的应用范围；

4、本发明通过运动三轴平台与球形电机相结合的六自由度运动平台协同控制，位置坐标信息可以直接输入至后台，省去了五轴运动后处理的操作过程，提升了运动轨迹解析效率；

5、本发明中的球形电机利用电磁场控制旋转角度，运动速度非常快，提升了喷印过程的灵活性，从而缩短了喷印过程的时间，提升了喷印过程的效率，球形电机的限位等机械设计的改进，更好地契合和辅助了曲面电路共形喷印的工艺要求；

6、本发明通过在喷头下方增加了电极环之后，保证了喷头至辅助电极环之间、辅助电极环与被喷印物体之间的梯度电势差，保证了稳定的喷印电场，防止了因旋转姿态调整和曲面物体电势干扰造成的混乱电场影响的出现；

7、本发明所述方法中，针对曲面电场的特殊性及变化性进行了路径优化和补偿，将曲面中某一点所需要的工艺状态要求固定封装保存至数据库，在复杂曲面图案化电路共形喷印的过程中，随着喷印位置的不同调用数据库中该点的工艺状态要求，确保共形喷印每一点的过程中，其电压信号、流量信号、速度信号等工艺状态要求处于最优状态，更好地保证复杂曲面电路共形喷印的品质与效果，提升功能期间和电路的自身性能。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的球形电机模块的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的共形喷印模块的结构示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的待喷印物表面示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

100-工作台210-平动模块211-X运动轴组212-Y运动轴组213-Z运动轴220-球形电机模块400-被喷印物体221-球形电机外壳222-底座223-目标曲面基板224-重力平衡装置300-共形喷印模块310-喷头部分311-墨盒312-喷嘴313-电极环

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的结构示意图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的球形电机模块的结构示意图，图3是按照本发明的优选实施例所构建的共形喷印模块的结构示意图，如图1，2和3所示，按照本发明的一个优选实施例，一种复杂曲面电路共形喷印设备，其包括工作台100、平动模块210、球形电机模块220、共形喷印模块300和控制模块。

平动模块设于工作台上的X-Y平面，X-Y平面运动模块包括在同一平面垂直相交的X运动轴组211和Y运动轴组212，X和Y运动轴组分别包括两根相互平行同步运动的X或Y轴。

球形电机模块220主要包括球形电机和曲面基板，球形电机包括与作台100固定的定子，与目标曲面基板223固定的动子，以及球形电机外壳221。定子上有规律地分布线圈，动子上有规律地分布永磁体。动子、定子被球形电机外壳221包围，配以底座222固定在X-Y平面运动模块上。目标曲面基板223与球形电机外壳221进行装配，固定在球形电机模块220上，被喷印物体400直接附着在目标曲面基板223上。球形电机包括重力平衡装置224与姿态测量装置。

共形喷印模块300包括喷头部分310和电气信号供给部分。喷头部分310设于Z运动轴213下方随Z运动轴213运动，包括墨盒311、设于墨盒311下方的喷嘴312以及设于喷嘴下方的辅助电极环313，该电极环直径小于所述喷嘴的上顶面的直径。电气信号供给部分设于工作台上100，包括高压放大器、信号发生器和精密流量泵。

控制模块设于工作台100上包括球形电机控制部分、3轴运动控制部分以及电气信号控制部分，均以控制卡和软件形式集成。

X运动轴组211、Y运动轴212、Z运动轴213用于实现被喷印物体的X、Y、Z三个方向的水平运动。

球形电机模块220用于实现被喷印物体的绕X、Y、Z轴方向旋转运动：

线圈通入电流就会与磁铁产生相互作用力，通过控制通入电流的大小与选择通电线圈，就可以决定定子对动子力的方向与大小，进而控制动子的运动，从而实现被喷印物体的六自由度运动，可以进行复杂曲面电路共形喷印。进一步地，为了简化运动轨迹采集和后处理的复杂程度，球形电机模块220信号以欧拉角值的形式进行输入和变换；在与X运动轴组211、Y运动轴212、Z运动轴213运动信息耦合的过程中，使用套嵌坐标系，即在平动坐标系中直接加载一个旋转坐标系，从而省去了原五轴运动方式中从六坐标点位信息到五轴运动值之间复杂而又繁琐的矢量变换。为了更好地适应和完成复杂曲面电流体共形喷印的要求，球形电机模块220的绕X、Y方向设置了控制限位。

球形电机外壳221在绕X、Y方向上设置了物理限位，用以消除曲面图案化电路共形喷印过程中喷头310或其他部件与目标曲面基板223发生的干涉情况。球形电机外壳213上端和下端有牢固地机械接口用以固定目标曲面基板223和与X-Y平面运动模块210高强度连接。由于目标曲面基板223自身具备重量较大，为了平衡重力减轻电机驱动的压力，球形电机模块220增加了重力平衡装置224。为了保证旋转运动状态的控制更为准确，球形电机模块220增加了姿态实时测量系统，用以对其姿态进行实时监测，并将监测信号反馈至控制系统，形成更为稳定的闭环控制。球形电机外壳213在材料上具有屏蔽功能，以保证内部运动电信号对外部喷印电场没有影响，目标曲面基板213接地以保证被喷印物体400为零电势。

墨盒311用于储存用于喷印的墨液，高压放大器和信号发生器为导电墨液施加高电压，在辅助电极环313上施加低电压，再结合被喷印物体400上的零电势，即形成了对球形电机模块220无影响，不随被喷印物体400姿态运动而改变的稳定电场，为喷嘴312处的导电墨液提供电场力。

控制模块既用于控制平动模块210协同运动，以实现在复杂曲面上按要求喷印图案；也用于控制信号发生器和精密流量泵为喷头部分310提供电信号和流量；通过控制所提供的电信号和流量，结合平动模块210的控制可以实现对喷印过程的实时按需控制。

按照本发明的另一个方面，本发明还提供了一种复杂曲面电路共形喷印方法，图4是按照本发明的优选实施例所构建的待喷印物表面示意图，如图4所示，喷印该物体表面的图案具体包括如下步骤：

1、将被喷印曲面物体400放置在球形电机模块220正上方；

2、在被喷印曲面物体400的三维模型上导入需要喷印的图案；

3、将图案分解成有限条线段并设置线段的喷印顺序，依照顺序将曲面电路共形喷印的运动轨迹位置信息数据进行保存，运动轨迹位置信息包括喷印点的空间坐标值以及为了保证喷印方向与被喷印曲面物体表面垂直的旋转坐标值；

4、根据喷印图案的工艺需求，将所在运动轨迹位置信息处的工艺状态要求数据进行保存；

5、将上述所保存的数据通过软件进行集成，同时发往下位机进行解析；

6、下位机依照解析数据内容按要求控制X运动轴组211、Y运动轴212、Z运动轴213、球形电机模块220协同运动，同时根据需要控制高压放大器、信号发生器和精密流量泵的开关、大小以实现实时控制。

本发明首先综合利用定位、补偿等手段突破了现有的电流体喷印对曲面图案的限制，实现复杂曲面基板上的图案化共形喷印及器件的精细化制备，其次利用球形电机欧拉角输入的特点，解决因五轴联动路径规划方式而带来的难度增加、效率降低等问题，提升喷印效率，减少喷印时间，提升路径运动灵活度，再者对球形电机进行了一系列改进，使之更符合柔性曲面电路共形喷印的要求，提升性能，最后在喷头喷嘴正下方集成了电极环，解决因曲面基板与喷头的距离不一，在此状态下直接向喷头和喷印平台加正负电压所造成的电场不均匀等问题，形成稳定电场以能够提升共形喷印过程中的稳定性、均匀度和准确度。

本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种复杂曲面电路共形喷印设备，该设备包括球形电机模块(220)、平动模块(210)和共形喷印模块(300)，其特征在于，

所述平动模块(210)设置在所述球形电机模块(220)的下方，该平动模块带动所述球形电机模块在平面内做X和Y轴方向的移动，进而实现该球形电机模块上待喷印物在X和Y轴方向的自由度；

所述共形喷印模块(300)包括喷头部分(310)和电气信号部分，所述喷头部分包括墨盒(311)、喷嘴(312)和电极环(313)，该喷头部分上下运动实现Z轴方向的自由度，所述喷嘴(312)设置于所述墨盒的下方，所述电极环(313)设置于所述喷嘴的下方，该电极环直径小于所述喷嘴的上顶面的直径，所述电气信号部分包括高压放大器和信号发生器，其中，所述高压放大器和信号发生器用于向所述墨盒中的墨液和电极环施加电压；

所述球形电机模块(220)包括球形电机和曲面基板(223)，该球形电机与所述X、Y和喷头Z轴方向的自由度结合，保证所述喷头的方向与待喷印物的喷印曲面垂直，由此实现待喷印物六个自由度的喷印，所述曲面基板与所述球形电机连接并设置在所述球形电机的上方，用于放置待喷印物；

此外，所述曲面基板接地使得待喷印物的电势为零，所述墨液中被施加的电压高于所述电极环中施加的电压，从而使得所述墨液、电极环和待喷印物上形成梯度电势差，使得所述喷嘴处的导电墨液平稳喷出，由此保持待喷印物在姿态变化过程中电场的稳定。

2.如权利要求1所述的一种复杂曲面电路共形喷印设备，其特征在于，所述球形电机模块上还设置有姿态实时测量装置，用于检测和实时反馈球形电机的姿态。

3.如权利要求1或2任一项所述的一种复杂曲面电路共形喷印设备，其特征在于，所述球形电机上外壳上设置有物理限位，该限位用于限制所述球形电机绕X、Y轴方向旋转的过度运动，以此消除所述喷头或其他部件与所述曲面基板的干涉情况。

4.如权利要求1所述的一种复杂曲面电路共形喷印设备，其特征在于，所述球形电机模块的信号以欧拉角值的形式进行输入和变换。

5.如权利要求1所述的一种复杂曲面电路共形喷印设备，其特征在于，所述电气信号部分还包括流量泵，该流量泵用于调整所述喷嘴中喷出的墨液流量。

6.如权利要求1所述的一种复杂曲面电路共形喷印设备，其特征在于，所述球形电机模块还包括重力平衡装置(224)，该重力平衡装置与所述球形电机连接且设置在所述球形电机的下方，用于平衡所述球形电机保持所述曲面基板的平稳。

7.如权利要求1所述的一种复杂曲面电路共形喷印设备，其特征在于，所述球形电机的外壳所采用的材料具有屏蔽电信号功能，用于减少该球形电机内部的电磁信号对其外部电场的影响。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的复杂曲面电路共形喷印设备的喷印方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)建立待喷印曲面物体的三维模型，并将所需在该待喷印曲面物体表面喷印的图案和该图案对应的工艺状态要求导入所述三维模型中，然后将所述待喷印曲面物体放置在曲面基板上；

(b)在所述三维模型中，将所述图案分解为多条线段并为每条线段设置喷印顺序，将所述的每条线段离散为多个离散点，结合待喷印曲面物体在曲面基板上所处的位置，获取每个离散点的六自由度的运动轨迹位置和工艺状态要求，该运动轨迹位置包括X、Y和Z轴以及球形电机绕所述X、Y和Z轴旋转的旋转坐标，所述工艺状态要求包括高压放大器和信号发生器施加的电压和流量泵控制喷嘴的流量；

(c)将所述离散点的运动轨迹位置和工艺状态要求解析为共形喷印设备的指令，该共形喷印设备按照该指令并结合所述喷印顺序依次喷印，从而完成所需喷印的图案在待喷印曲面物体表面的喷印。