CN107901406A - 一种闭环自调节闪光固化装置及方法、导电图形 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子印刷技术领域，公开了一种闭环自调节闪光固化装置及方法、导电图形，使用移动的菲尼尔透镜通过调焦调整光功率，同时根据需求调整脉冲氙灯的电源功率，使得闪光固化功率增大可调范围，满足各种不同需求的固化试验。使用光功率传感器对闪光参数通过优化方法进行逼近调整实现闭环控制，使得样品受到的闪光能量更加接近设定数值、固化实验的数据更加真实有效，提高了数据可信度。本发明具有菲尼尔透镜聚光作用，可以使用较小功率的电源和脉冲氙灯，有效降低成本。本发明将定时恒温表干功能融合到设备中，使得样品不必多次转移，避免的在转运过程中，环境变化对样品影响，使得获得实验数据更具有可信度。

Description

一种闭环自调节闪光固化装置及方法、导电图形

技术领域

本发明属于电子印刷技术领域，尤其涉及一种闭环自调节闪光固化装置及方法、导电图形。

背景技术

在使用纳米导电墨水打印的导电图形的电子印刷工艺过程中，最为重要的环节是导电墨水固化。烧结固化的工艺直接决定了导电图形的导电性能和对基材的附着力，导电图形由纳米银墨水打印在合成树脂材料制成的基材上。目前用来固化的方法有烤箱加热烧结、激光烧结、微波烧结等方法。这些工艺将导电墨水与基材结合起来组成了导电图形。

但是目前导电墨水的性能还不够稳定，无法在长时间暴露空气后继续达到稳定的导电性能，且墨水的表干、烧结固化温度也有着较为严格的要求。通常表干温度较低，而烧结固化温度会高于100度才能获得较高的导电率。而随着应用越来越广，用于打印导电图形的基材种类越来越多，但是仅有较少材料能长时间耐100度以上，这样与烧结固化工艺的温度要求有冲突。

烤箱加热烧结法固化时需要将样品取下，并在160℃的高温下加热45分钟，这种固化方法固化时间过长，容易促使墨水氧化降低导电率，降低生产效率，且多数合成树脂材料难以长时间承受100℃以上的高温。若要达到较好导电性能，基材会因为长时间高温加热而变形损坏。这样仅能采用像聚酰亚胺这种耐高温但是可塑性较差的材料作为基材，而不能采用三维打印出来的树脂结构件作为导电图形的基材。缩小了工艺的用途范围。

激光烧结的时间取决于导电图形的面积，激光头置于两轴运动平台上，通过两轴运动平台带动激光对导电图形进行扫描，面积越大，时间越长。而如果导电图形面积较大，会增加烧结固化时间，降低生产效率。目前仅能通过提高电机响应速度达到提高生产效率的目的，但是常规步进电机稳定运行的速度是300到600转每分钟，转换成线性速度大概在60mm/s到120mm/s的速度，按照0.1mm的步距扫描100mm乘100mm的正方形需要14分钟到28分钟左右，效率依然较低。

微波烧结对于液面较厚的导电图形，穿透能力差，仅能对液面厚度较薄的导电图形进行固化，而液面较厚的导电图形仅能将表面部分固化，而靠近基材部分的墨水将无法固化，降低图形导电率。如使用微波烧结需要打印更薄的液面，为了保证导电率，需要使用含金属量更高的墨水，但是墨水的粘度大大提成，所用于高粘度喷射的喷头的成本更高，且高粘度墨水极易堵喷头，清洗喷头时间较长，亦降低了生产效率。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的导电图形固化方法存在固化时间过长，降低导电率，降低生产效率；对于液面较厚的导电图形，穿透能力差，降低图形导电率。如果能够将固化温度、时间降低到普通基材也可承受的状态下的同时提高导电效率和生产效率。将会大大推进电子印刷工艺的普及。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种闭环自调节闪光固化装置及方法、导电图形。

本发明是这样实现的，一种闭环自调节闪光固化装置，所述闭环自调节闪光固化装置设置有：

两个电机直线模组；用于上下移动菲尼尔透镜和恒温样件平台，以实现对光源的不同程度对焦，实现光源功率可调。

电机直线模组通过螺丝固定在平台上，储能放电模块(为脉冲氙灯提供短时间高功率的能量，产生用于烧结固化的光源)和设备控制器(用于控制光功率、温度、闪光次数、菲尼尔透镜对焦程度等参数的控制)通过控制线与平台连接；

菲尼尔透镜支架与透镜滑块通过螺丝连接，透镜滑块在所述电机直线模组上下滑动；脉冲氙灯通过脉冲氙灯插座安装在所述电机直线模组上。

进一步，第一电机直线模组包括：第一滑块导轨、第一滑块丝杆、第一步进电机；

两个第一滑块导轨与所述第一滑块丝杆并排安装在所述第一电机直线模组上，所述第一滑块丝杆的上端与所述第一步进电机相连。

进一步，第二电机直线模组包括第二滑块导轨、第二滑块丝杆、第二步进电机；

所述第二滑块丝杆并排安装在所述第二电机直线模组上，所述第二滑块丝杆的上端与所述第二步进电机相连。

进一步，恒温的样件平台滑块与第二滑块丝杆通过螺纹配合，通过第二步进电机的带动在第二电机直线模组上下滑动。

进一步，光敏传感器安装在样件平台滑块的中间位置，用于测量光亮程度。

进一步，脉冲氙灯通过脉冲氙灯插座安装在第一电机直线模组上，反光罩固定在脉冲氙灯插座上用于反射脉冲氙灯的能量。

进一步，遮光罩通过遮光罩支架固定在第一电机直线模组的中间，用于遮挡脉冲氙灯的强光线；储能放电模块为脉冲氙灯在短时间内提供瞬时高能，触发脉冲氙灯闪光固化导电图形。

本发明的另一目的在于提供一种所述闭环自调节闪光固化装置的闭环自调节闪光固化方法，所述闭环自调节闪光固化方法包括以下步骤：

步骤一，设定固化功率、表干温度、表干时间和闪光灯与样件的距离；

步骤二，设定闪光功率进行试闪光10次，使用光敏传感器对闪光功率进行捕捉后，根据设定功率与实际功率偏差进行调节；

步骤三，样件放至恒温样件平台上后进行恒温定时表干，完成表干后，按照输入光功率、闪光次数进行光子固化。

所述步骤二进一步包括：

(1)根据设定功率调整透镜到位置X₁，令优化次数k＝1，设定误差范围为e；

(2)将捕捉到的光功率P_s与设定功率P_d进行比较获得偏差E，当E>e时，转(3)，当E<e时，完成光功率矫正；

(3)使用PID算法，通过多次调整使得偏差E小于设定误差范围e，完成光功率矫正。

本发明的另一目的在于提供一种使用所述闭环自调节闪光固化装置的导电图形。

现有闪光固化装置只能通过调整电源功率控制闪光功率，在产生相同光功率条件下；本发明使用移动的菲尼尔透镜通过调焦调整光功率，同时根据需求调整脉冲氙灯的电源功率，使得闪光固化功率增大可调范围，满足各种不同需求的固化试验。在使用相同功率的脉冲氙灯的条件下，本发明可使用菲尼尔透镜将光源照射面积调焦至原来的四分之一，而单位面积获得的能量提升至传统设备的四倍，有效提高了实验平台光功率的可调范围。

现有光固化设备仅仅根据所需参数调整电源功率，没有反馈参数进行监督，在环境不同的地方参数会产生偏差，降低试验数据的可信度。本发明使用光功率传感器对闪光参数通过优化方法进行逼近调整实现闭环控制，使得样品受到的闪光能量更加接近设定数值、固化实验的数据更加真实有效，提高了数据可信度。

本发明具有菲尼尔透镜聚光作用，可以使用较小功率的电源和脉冲氙灯，在达到相同功率的条件下，本发明可以使用现有设备中配备光源的功率的四分之一的光源，该光源的成本为相同参数设备光源的8分之一，有效降低成本。本发明将定时恒温表干功能融合到设备中，使得样品不必多次转移，避免的在转运过程中，环境变化对样品影响，使得获得实验数据更具有可信度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的闭环自调节闪光固化装置结构示意图；

图中：1、平台；2、第一电机直线模组；2-1、第一滑块丝杆；2-2、第一步进电机；2-3、第一滑块导轨；3、样件平台；4、光敏传感器；5、菲尼尔透镜；6、遮光罩；7、反光罩；8、脉冲氙灯；9、脉冲氙灯插座；10、储能放电模块；11、设备控制器；12、菲尼尔透镜支架；13、透镜滑块；14、遮光罩支架；15、第二电机直线模组；15-1、第二滑块导轨；15-2、第二滑块丝杆；15-3、第二步进电机。

图2是本发明实施例提供的闭环自调节闪光固化方法流程图。

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，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。

闪光烧结与打印一体化工艺克服了传统工艺中温度过高、效率低和成本高的问题，闪光固化可以在1到2ms内释放1000j左右的能量，时间短，且穿透力强，可在短时间内对导电图形实现较为彻底的固化效果。导电图形打印完后在室温下仅十几秒可完成较为彻底的固化烧结，且工作温度不会大幅上升，不需要重复装夹，提高打印精度、生产效率和导电率。

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闭环自调节闪光固化装置包括：平台1、第一电机直线模组2、样件平台3、光敏传感器4、菲尼尔透镜5、遮光罩6、反光罩7、脉冲氙灯8、脉冲氙灯插座9、储能放电模块10、设备控制器11、菲尼尔透镜支架12、透镜滑块13、遮光罩支架14、第二电机直线模组15。

第一电机直线模组2包括：第一滑块导轨2-1、第一滑块丝杆2-1、第一步进电机2-2；两个第一滑块导轨2-1与第一滑块丝杆2-1并排安装在第一电机直线模组2上，第一滑块丝杆2-1的上端与第一步进电机2-2相连。

第二电机直线模组15包括第二滑块导轨15-1、第二滑块丝杆15-2、第二步进电机15-3；第二滑块丝杆15-2并排安装在第二电机直线模组15上，第二滑块丝杆15-2的上端与第二步进电机15-3相连。

第一电机直线模组2和第二电机直线模组15通过螺丝固定在平台1上，储能放电模块10和设备控制器11通过控制线与平台1连接。恒温的样件平台3滑块与第二滑块丝杆15-2通过螺纹配合，并且通过第二步进电机15-3的带动下在第二电机直线模组15上下滑动，光敏传感器4安装在样件平台3滑块的中间位置，用于测量光亮程度。菲尼尔透镜支架12与透镜滑块13通过螺丝连接，透镜滑块13与第二滑块丝杆15-2配合，通过第一步进电机2-2的带动下在第一电机直线模组2上下滑动，带动菲尼尔透镜5对闪光灯光线进行不同程度的对焦，实现不同功率的输出。脉冲氙灯8通过脉冲氙灯插座9安装在第一电机直线模组2上，反光罩7固定在脉冲氙灯插座9上用于反射脉冲氙灯8的能量，达到提高光线能量利用率的效果。遮光罩6通过遮光罩支架14固定在第一电机直线模组2的中间，用于遮挡脉冲氙灯8的强光线，保护人眼减小光污染。储能放电模块10为脉冲氙灯8在短时间内提供瞬时高能，触发脉冲氙灯8闪光固化导电图形。

如图2所示，本发明实施例提供的闭环自调节闪光固化方法包括以下步骤：

S201：设定所需固化功率、表干温度、表干时间和闪光灯与样件的距离；

S202：根据设定闪光功率进行试闪光10次左右，使用光敏传感器对闪光功率进行捕捉后，使用优化方法根据设定功率与实际功率偏差进行调节至满足要求；

S203：将样件放至恒温样件平台上后进行恒温定时表干，完成表干后，按照输入光功率、闪光次数进行光子固化。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1：

本发明实施例提供的闭环自调节闪光固化方法包括以下步骤：

步骤一，通过设备控制器输入所需固化功率，闪光次数、表干温度时间和样品距离。

步骤二，根据设定数值闪光功率进行试闪光，使用光敏传感器对闪光功率进行捕捉后，将捕捉到的光功率与设定功率进行比较使用优化方法对电源功率或者菲尼尔透镜进行调整直到实际闪光功率与设定功率的偏差小于规定误差后完成功率校正；

优化步骤：

(1)根据设定功率调整透镜到位置X₁，令优化次数k＝1，设定误差范围为e；

(2)将捕捉到的光功率P_s与设定功率P_d进行比较获得偏差E，当E>e时，转(3)，当E<e时，完成光功率矫正；

(3)使用PID算法，通过多次调整使得偏差E小于设定误差范围e，完成光功率矫正；

步骤三，将样件放至恒温样件平台上后根据设定的表干温度和表干时间进行恒温表干，完成表干后，使用矫正后的闪光功率参数对样品按照设定闪光次数进行闪光固化，获得导电图形。

使用人员利用设备控制器输入固化功率，样件的表干时间、温度和高度，设备控制器11通过控制第一电机直线模组2、第二电机直线模组15和恒温的样件平台3滑块达到使用人员输入的实验条件，并进行固化试验。

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 (10)

1.一种闭环自调节闪光固化装置，其特征在于，所述闭环自调节闪光固化装置设置有：

两个电机直线模组；用于上下移动菲尼尔透镜和恒温样件平台，实现对光源的不同程度对焦，实现光源功率可调；

电机直线模组通过螺丝固定在平台上，用于为脉冲氙灯提供短时间高功率的能量，产生用于烧结固化的光源储能放电模块和用于控制光功率、温度、闪光次数、菲尼尔透镜对焦程度等参数的控制设备控制器通过控制线与平台连接；

菲尼尔透镜支架与透镜滑块通过螺丝连接，透镜滑块在所述电机直线模组上下滑动；脉冲氙灯通过脉冲氙灯插座安装在所述电机直线模组上。

2.如权利要求1所述的闭环自调节闪光固化装置，其特征在于，第一电机直线模组包括：第一滑块导轨、第一滑块丝杆、第一步进电机；

两个第一滑块导轨与所述第一滑块丝杆并排安装在所述第一电机直线模组上，所述第一滑块丝杆的上端与所述第一步进电机相连。

3.如权利要求1所述的闭环自调节闪光固化装置，其特征在于，第二电机直线模组包括第二滑块导轨、第二滑块丝杆、第二步进电机；

所述第二滑块丝杆并排安装在所述第二电机直线模组上，所述第二滑块丝杆的上端与所述第二步进电机相连。

4.如权利要求3所述的闭环自调节闪光固化装置，其特征在于，恒温的样件平台滑块与第二滑块丝杆通过螺纹配合，通过第二步进电机的带动在第二电机直线模组上下滑动。

5.如权利要求1所述的闭环自调节闪光固化装置，其特征在于，光敏传感器安装在样件平台滑块的中间位置，用于测量光亮程度。

6.如权利要求1所述的闭环自调节闪光固化装置，其特征在于，脉冲氙灯通过脉冲氙灯插座安装在第一电机直线模组上，反光罩固定在脉冲氙灯插座上用于反射脉冲氙灯的能量。

7.如权利要求1所述的闭环自调节闪光固化装置，其特征在于，遮光罩通过遮光罩支架固定在第一电机直线模组的中间，用于遮挡脉冲氙灯的强光线；储能放电模块为脉冲氙灯在短时间内提供瞬时高能，触发脉冲氙灯闪光固化导电图形。

8.一种如权利要求1所述闭环自调节闪光固化装置的闭环自调节闪光固化方法，其特征在于，所述闭环自调节闪光固化方法包括以下步骤：

步骤一，设定固化功率、表干温度、表干时间和闪光灯与样件的距离；

步骤二，设定闪光功率进行试闪光10次，使用光敏传感器对闪光功率进行捕捉后，根据设定功率与实际功率偏差进行调节；

步骤三，样件放至恒温样件平台上后进行恒温定时表干，完成表干后，按照输入光功率、闪光次数进行光子固化。

9.如权利要求8所述的闭环自调节闪光固化方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：

(1)根据设定功率调整透镜到位置X₁，令优化次数k＝1，设定误差范围为e；

(2)将捕捉到的光功率P_s与设定功率P_d进行比较获得偏差E，当E>e时，转(3)，当E<e时，完成光功率矫正；

(3)使用PID算法，通过多次调整使得偏差E小于设定误差范围e，完成光功率矫正。

10.一种使用如权利要求1～7任意一项所述闭环自调节闪光固化装置的导电图形。