CN107538741A - 非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印技术领域，公开了一种非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统及方法，设置有：工作台；安装在工作台上的五轴联动打印模块；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；与五轴联动打印模块相连接的光子固化模块、冷却模块、加热模块。本发明利用五轴联动机构在非展开曲面上打印导电墨水的同时开启加热床加速墨水表干，再用光子固化导电墨水，最后形成电子线路，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、墨滴渗导致边界不齐等问题，其有效提高了打印效率，提升了所打印物品的品质。

Description

非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统及方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统及方法。

背景技术

三维打印技术以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来。数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造变得快速简捷。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，在现有导电墨水固化技术中有激光固化，微波固化及加热固化等方法，但是这些方法一样存在需要高温及复杂环境的问题，所以在目前导电图形中，需要一种打印速度快、效率高、低温、环境简单且打印质量、导电率较高的方法，以满足生产需求。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的导电线的打印技存在处理时间长，打印时间较长，需要高温及复杂环境。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统及方法。

本发明是这样实现的，一种非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统，所述非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统设置有：

工作台；

安装在所述工作台上的五轴联动打印模块；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；

与所述五轴联动打印模块相连接的光子固化模块、冷却模块、加热模块。

进一步，所述五轴联动打印模块包括用于控制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轴组和用于控制打印平台移动的C轴组和A轴组；

所述X轴组、Y轴组、Z轴安装在所述工作台的上部空间且相互连接；

所述C轴组和A轴组由下而上依次安装在工作台上，打印平台安装在所述A轴组上；

所述数控系统与五轴联动组和打印喷头联合工作，打印导电图形。

进一步，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；

Y轴精密丝杆与Y轴导轨沿Y轴方向平行安装在工作台上，Y轴精密丝杆一端设有Y轴电机，Y轴滑板穿安装在Y轴精密丝杆和Y轴导轨上，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；

X轴精密丝杆的一端安装在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轴滑板穿安装在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；

Z轴精密丝杆的一端安装在X轴滑板上，Z轴精密丝杆与Z轴导轨沿Z轴平行设置，Z轴滑板穿安装在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；

C电机固定在工作台上，C轴转台安装在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；

A电机固定在C轴转台上，A轴摆头安装在A轴电机上，A轴摆头与A轴电机的转轴连接，A轴电机带动A轴摆头沿A轴方向摆动。

进一步，所述光子固化模块包括储能充电模块和闪光灯模块；

所述闪光灯模块安装在工作台上，闪光灯模块与打印喷头并排安装；

控制板卡与储能充电模块相连，用于控制闪光灯的充电、放点以及放电功率；放电产生高能光线用于固化烧结导电图形。

进一步，所述冷却模块包括半导体制冷模块、水箱和冷却水导管；

所述半导体制冷模块在打印喷头外用于喷头制冷；

所述半导体制冷模块、水箱和冷却水导管通过橡胶水管连接形成水循环实现冷却打印喷头。

进一步，所述加热模块包括红外加热丝和温度控制器；

所述红外加热丝安装在所述打印平台上，与温度控制器连接，用于加速导电墨水有机溶剂挥发。

本发明的另一目的在于提供一种所述的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统的非展开曲面导电图形的打印及光子固化方法其特征在于，非展开曲面导电图形的打印及光子固化方法包括以下步骤：

步骤一，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；

步骤二，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；

步骤三，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；

步骤四，当导电图形完成打印时，移动闪光灯至被打印的位置，闪光灯放电闪烁数次；

步骤五，最终获得导电图形。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统的3D打印机。

本发明的优点及积极效果为：

1、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，提高打印图形边界整齐度，而当前曲面打印使用曲面与喷头随动的方法，使得墨滴与墨滴之间刚刚形成统一的液面后就因为打印平台转动使液面被破坏，影响打印图形的边界整齐度，降低了打印质量；

2、根据打印基板对墨水的渗透特性，加入加热模块，当基材与墨水接触时间较长时，导电墨水中的溶剂意与基材渗透，影响导电图形的边界精度，而导电墨水中的溶剂主要为醇类有机物，而通过加热，可加速导电墨水溶剂挥发，减少导电墨水中有机溶剂与与基材接触时间，减小了导电墨水对基材的渗透现象，提高了打印品质；

3、利用闪光灯固化导电墨水，由于闪光照射面积大，瞬时释放能量大，且放电时间短，可对整个片面区域进行固化，与传统方法中使用激光只能进行单行扫面的方法相比，有效提高了打印效率，由于闪光灯的放电时间短，时间范围在毫秒级别，进行固化时，未等待基材被加热到极限温度，结束固化流程，降低了固化温度，有效防止基材被高温损坏。

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。利用五轴联动机构在非展开曲面上打印导电墨水的同时开启加热床加速墨水表干，再用光子固化导电墨水，最后形成电子线路，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、墨滴渗导致边界不齐等问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的非展开曲面导电图形的打印及光子固化方法流程图；

图中：1、工作台；2、X轴组；2-1、X轴精密丝杆；2-2、X轴导轨；2-3、X轴电机；2-4、X轴滑板；3、Y轴组；3-1、Y轴精密丝杆；3-2、Y轴导轨；3-3、Y轴电机；3-4、Y轴滑板；4、Z轴组；4-1、Z轴精密丝杆；4-2、Z轴导轨；4-3、Z轴电机；4-4、Z轴滑板；5、C轴组；5-1、C轴电机；5-2、C轴转台；6、A轴组；6-1、A轴电机；6-2、A轴摆头；7、打印平台；8、打印喷头；9、闪光灯；10、半导体制冷模块；11、红外加热丝；12、冷却水导管；13、水箱；14、温度控制器；15、储能充电模块。

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。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统包括：包括工作台1、安装在工作台1上的五轴联动打印模块和与五轴联动打印模块相连接的光子固化模块、冷却模块、加热模块。

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；五轴联动组包括用于控制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，和用于控制打印平台移动的两轴组：C轴组5和A轴组6；X轴组2、Y轴组3、Z轴组4安装在工作台1的上部空间且相互连接，C轴组5和A轴组6由下而上依次安装在工作台1上，打印平台7安装在A轴组6上；数控系统与五轴联动组和打印喷头10联合工作，打印导电图形。

光子固化模块包括储能充电模块15和闪光灯模块9；闪光灯模块9安装在工作台1上，闪光灯模块9与打印喷头8并排安装；控制板卡与储能充电模块15相连，用于控制闪光灯9的充电、放点以及放电功率；放电产生高能光线用于固化烧结导电图形。

冷却模块包括半导体制冷模块10、水箱13和冷却水导管12；半导体制冷模块10在打印喷头8外面用于喷头制冷，半导体制冷模块10、水箱13和冷却水导管12通过橡胶水管连接形成水循环实现冷却打印喷头8的作用。

加热模块包括红外加热丝11和温度控制器14；红外加热丝11安装在打印平台7上，与温度控制器14连接，用于加速导电墨水有机溶剂挥发。

其中，Y轴组3包括Y轴精密丝杆3-1、Y轴导轨3-2、Y轴电机3-3、Y轴滑板3-4，Y轴精密丝杆3-1与Y轴导轨3-2沿Y轴方向平行安装在工作台1上，所Y轴精密丝杆3-1一端设有Y轴电机3-3，Y轴滑板3-4穿安装在Y轴精密丝杆3-1和Y轴导轨3-2上，Y轴精密丝杆3-1与Y轴滑板3-4螺纹连接，Y轴电机3-3带动Y轴精密丝杆3-1旋转,Y轴精密丝杆3-1带动Y轴滑板3-4沿Y轴导轨3-2做直线运动；X轴组2包括X轴精密丝杆2-1、X轴导轨2-2、X轴电机2-3、X轴滑板2-4，X轴精密丝杆2-1的一端安装在Y轴滑板3-4的上部，X轴精密丝杆2-1与X轴导轨2-2沿X轴平行设置，X轴滑板2-4穿安装在X轴精密丝杆2-1与X轴导轨2-2上，X轴精密丝杆2-1与X轴滑板2-4螺纹连接，X轴精密丝杆2-1一端与X轴电机2-3的输出轴相连，X轴电机2-3带动X轴精密丝杆2-1旋转，X轴精密丝杆2-1带动X轴滑板2-4沿X轴导轨2-2做直线运动；Z轴组4包括Z轴精密丝杆4-1、Z轴导轨4-2、Z轴电机4-3、Z轴滑板4-4；Z轴精密丝杆4-1的一端安装在X轴滑板2-4上，Z轴精密丝杆4-1与Z轴导轨4-2沿Z轴平行设置，Z轴滑板4-4穿安装在Z轴精密丝杆4-1与Z轴导轨4-2上，Z轴精密丝杆4-1与Z轴滑板4-4螺纹连接，Z轴精密丝杆4-1一端与Z轴电机4-3的输出轴相连，Z轴电机4-3带动Z轴精密丝杆4-1旋转，Z轴精密丝杆4-1带动Z轴滑板4-4沿Z轴导轨4-2做直线运动。

C轴组5包括C轴电机5-1和C轴转台5-2，C电机5-1固定在工作台上，C轴转台5-2安装在C轴电机5-1上，且C轴转台5-2与C轴电机5-1的转轴连接，C轴电机5-1带动C轴转台5-2沿C轴方向转动；A轴组6包括A轴电机6-1和A轴摆头6-2，A电机6-1固定在C轴转台5-2上，A轴摆头6-2安装在A轴电机6-1上，A轴摆头6-2与A轴电机6-1的转轴连接，A轴电机6-1带动A轴摆头6-2沿A轴方向摆动。

如图2所示，本发明实施例提供的非展开曲面导电图形的打印及光子固化方法包括以下步骤：

S101：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；

S102：当导电图形打印完后将闪光灯，固化导电墨水，最后形成电子线路。

本发明实施例提供的非展开曲面导电图形的打印及光子固化方法具体包括以下步骤：

步骤一，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；

步骤二，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；

步骤三，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，同时加热模块开启控制温度，加速导电墨水溶剂挥发，防止墨水流动影响精度；冷却模块工作为喷头降温，防止喷头内的墨水被加热模块影响。

步骤四，当导电图形完成打印时，移动闪光灯至被打印的位置，令闪光灯放电闪烁数次，在蒸发掉导电墨水中溶剂同时，因为放电时间短，也不会因为高温烧毁基材。

步骤五，最终获得导电图形。

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)

1.一种非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统，其特征在于，所述非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统设置有：

工作台；

安装在所述工作台上的五轴联动打印模块；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；

与所述五轴联动打印模块相连接的光子固化模块、冷却模块、加热模块。

2.如权利要求1所述的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统，其特征在于，所述五轴联动打印模块包括用于控制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轴组和用于控制打印平台移动的C轴组和A轴组；

所述X轴组、Y轴组、Z轴安装在所述工作台的上部空间且相互连接；

所述C轴组和A轴组由下而上依次安装在工作台上，打印平台安装在所述A轴组上；

所述数控系统与五轴联动组和打印喷头联合工作，打印导电图形。

3.如权利要求2所述的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统，其特征在于，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；

Y轴精密丝杆与Y轴导轨沿Y轴方向平行安装在工作台上，Y轴精密丝杆一端设有Y轴电机，Y轴滑板穿安装在Y轴精密丝杆和Y轴导轨上，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；

X轴精密丝杆的一端安装在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轴滑板穿安装在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；

Z轴精密丝杆的一端安装在X轴滑板上，Z轴精密丝杆与Z轴导轨沿Z轴平行设置，Z轴滑板穿安装在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；

C电机固定在工作台上，C轴转台安装在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；

A电机固定在C轴转台上，A轴摆头安装在A轴电机上，A轴摆头与A轴电机的转轴连接，A轴电机带动A轴摆头沿A轴方向摆动。

4.如权利要求1所述的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统，其特征在于，所述光子固化模块包括储能充电模块和闪光灯模块；

所述闪光灯模块安装在工作台上，闪光灯模块与打印喷头并排安装；

控制板卡与储能充电模块相连，用于控制闪光灯的充电、放点以及放电功率；放电产生高能光线用于固化烧结导电图形。

5.如权利要求1所述的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统，其特征在于，所述冷却模块包括半导体制冷模块、水箱和冷却水导管；

所述半导体制冷模块在打印喷头外用于喷头制冷；

所述半导体制冷模块、水箱和冷却水导管通过橡胶水管连接形成水循环实现冷却打印喷头。

6.如权利要求1所述的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统，其特征在于，所述加热模块包括红外加热丝和温度控制器；

所述红外加热丝安装在所述打印平台上，与温度控制器连接，用于加速导电墨水有机溶剂挥发。

7.一种如权利要求1所述的非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统的非展开曲面导电图形的打印及光子固化方法其特征在于，所述非展开曲面导电图形的打印及光子固化方法包括以下步骤：

步骤一，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；

步骤二，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；

步骤三，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；

步骤四，当导电图形完成打印时，移动闪光灯至被打印的位置，闪光灯放电闪烁数次；

步骤五，最终获得导电图形。

8.一种应用权利要求1～6任意一项所述非展开曲面导电图形的打印及光子固化一体系统的3D打印机。