CN108045105A - 一种导电图形打印、线性扫描固化一体系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维打印技术领域，公开了一种导电图形打印、线性扫描固化一体系统及方法，利用多轴运动机构在非展开曲面上打印导电墨水的同时打印平台下面的加热棒跟随打印喷头移动进行表干加速溶剂挥发，打印结束后再用光子固化线性光源导电墨水，形成电子线路。设置于工作台上的三轴联动打印模块和与三轴联动打印模块相连接的扫描光子固化模块、冷却模块、加热运动模块。本发明使得单位时间内固化面积较激光固化有较高提升，对于烧结固化过程较闪光固化更为均匀，避免同一区域进行多次固化，提升导电图形导电率的一致性；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，有效防止了基材被高温损坏。

Description

一种导电图形打印、线性扫描固化一体系统及方法

技术领域

本发明属于三维打印技术领域，尤其涉及一种导电图形打印、线性扫描固化一体系统及方法。

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、微波烧结和闪光烧结固化等方法。烤箱加热烧结、激光烧结、微波烧结和闪光烧结固化等方法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，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，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，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×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，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打印喷头的成本更高，且高粘度墨水极易堵打印喷头，清洗打印喷头时间较长，亦降低了生产效率。闪光烧结固化是对片面区域进行整体烧结固化，但是如果导电图形超过固化面积后，无法一次完全固化，则需要多次在不同位置进行固化烧结，这样不能保证导电图形的每个部分都是均匀固化，在重叠部分的导电图形会被重复固化导致过固化，降低导电率。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的导电图形固话方法存在打印时导电墨水固化慢、墨滴渗导致边界不齐、表干不均匀、固化不均匀。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种导电图形打印、线性扫描固化一体系统及方法。

本发明是这样实现的，一种导电图形打印、线性扫描固化一体方法，所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法利用多轴运动机构在非展开曲面上打印导电墨水的同时打印平台下面的加热棒跟随打印喷头移动进行表干加速溶剂挥发，打印结束后再用光子固化线性光源导电墨水，形成电子线路，

进一步，所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法包括以下步骤：

步骤一，将在计算机中确定模型表面打印模型中的待打印部分，将待打印部分分离，保存成STL格式；将曲面表面打印模型中的待打印曲面进行数据处理，将原模型分成多个三角形，根据不同基材表面调节负压选择相应墨滴半径，并根据墨滴半径相应步距进行路径规划生成带有喷射区间指令和的G代码；

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，控制控制三轴运动机构工作，打印喷头运动打印出未固化的导电图形，同时加热模块开启控制温度，跟随打印喷头运动的同时对导电图形进行表干；冷却模块为打印喷头降温；

步骤四，导电图形完成打印时，线性固化光源开启，光线通过线性透镜聚焦成高能量线性光线，通过运动模块对导电图形进行扫描运动，将导电图形中剩余的溶剂蒸发，同时对金属粒子进行烧结连成片面；

步骤五，电机带动扫描光子固化模块将所有未固化的导电图形进行固化，使导电图形整体实现金属粒子烧结连成片面，实现整体导电，获得导电图形。

本发明的另一目的在于提供一种所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，所述导电图形打印、线性扫描固化一体系统包括：工作台、安装在工作台上的三轴联动打印模块和与三轴联动打印模块相连接的扫描光子固化模块、冷却模块、加热运动模块。

进一步，所述三轴联动打印模块包括：

用于控制喷墨位置的三轴运动组；

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。

进一步，所述三轴运动组包括：

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、Y轴组、Z轴组；X轴组、Y轴组、Z轴组设于工作台的上部空间且相互连接；数控系统与三轴运动组和打印喷头联合工作，打印导电图形；

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；

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轴滑板设于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；

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。

进一步，所述线性光子光子固化模块包括电源、固化运动组模块和扫描光源模块；

扫描光源模块通过固化运动组滑板与位于工作台下面的固化运动组精密丝杆和固化运动组导轨连接，且穿过打印平台与固化运动组模块连接；固化运动组模块位于打印平台下方，用于控制扫描线性固化光源对导电图形进行运动扫描固化。

进一步，所述固化运动组模块包括固化运动组精密丝杆、固化运动组导轨、固化运动组电机、固化运动组滑板；

固化运动组精密丝杆与固化运动组导轨沿固化运动组模块平行安装在工作台上，固化运动组精密丝杆一端设有固化运动组电机，固化运动组滑板设于固化运动组精密丝杆和固化运动组导轨上，固化运动组精密丝杆与固化运动组滑板螺纹连接，电源位于固化运动组模块后方。

进一步，所述冷却模块包括半导体制冷模块、水箱和冷却筒；

冷却筒套在打印喷头外侧用于打印喷头制冷，半导体制冷模块、水箱和冷却筒通过橡胶水管连接。

进一步，所述加热模块包括加热运动组；加热模块位于打印平台下侧，用于加速导电墨水有机溶剂挥发；

加热运动组包括加热运动组精密丝杆、加热运动组导轨、加热运动组电机、加热运动组滑板；

加热运动组精密丝杆与加热运动组导轨沿加热运动组平行安装在工作台上，加热运动组精密丝杆一端设有加热运动组电机，加热运动组滑板设于加热运动组精密丝杆和加热运动组导轨上，加热运动组精密丝杆与加热运动组滑板螺纹连接。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法的打印机。

本发明采用线性高能量光线对导电图形进行匀速运动扫描固化，使得单位时间内固化面积较激光固化有较高提升，对于烧结固化过程较闪光固化更为均匀，避免同一区域进行多次固化，提升导电图形导电率的一致性。由于线性光源在工作时为运动状态，停留在同一区域的时间较短，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，有效防止了基材被高温损坏。现有光子固化中的闪光固化通过闪光灯短时间内释放大量能量，固化导电图形，但是固化区域内的能量分布不均匀如果导电图形面积较大，则需要多次固化，无法避免部分区域发生重复固化的现象，降低了导电图形整体导电率的均匀性。

本发明根据打印基板对墨水的渗透特性，加入加热运动模块，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，导电墨水中的溶剂主要为醇类有机物；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；且本发明的运动加热模块跟随打印喷头运动，即对每个区域的加热时间相同，避免的由于打印时间过长导致每个区域的表干不均匀，影响固化效果，而当前固化的加热床均为固定加热，若打印时间越长，则导电图形的表干时间差异越大，固化差异也越大，导电图形最佳表干时间在4到6分钟，如果导电图形面积过大，打印时间超过十分钟，使用固化加热床会使导电图形表干时间差异升到10分钟以上，意味着先打印的区域已经过固化，而后打印的图形还未固化完全，使固化后导电图形的各个区域导电性能不一致。

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，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；利用三轴机构在基材上打印导电墨水的同时开启加热运动模块加速墨水表干，再用线性固化光源扫描运动固化导电墨水，最后形成导电图形；有效解决无法直接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、固化不均匀和表干不均匀等问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的导电图形打印、线性扫描固化一体方法流程图。

图2是本发明实施例提供的导电图形打印、线性扫描固化一体系统结构示意图；

图中：1、工作台；2、X轴组；3、Y轴组；4、Z轴组；5、固化运动组模块；6加热运动组；7、打印平台；8、打印喷头；9、线性固化光源；10、冷却模块；11、加热模块；12、冷却水导管；13、水箱；14、温度控制器；15、运动控制器；16、X轴精密丝杆；17、X轴导轨；18、X轴电机；19、X轴滑板；20、Y轴精密丝杆；21、Y轴导轨；22、Y轴电机；23、Y轴滑板；24、Z轴精密丝杆；25、Z轴导轨；26、Z轴电机；27、Z轴滑板；28、固化运动组精密丝杆；29、固化运动组导轨；30、固化运动组电机；31、固化运动组滑板；32、加热运动组精密丝杆；33、加热运动组导轨；34、加热运动组电机；35、加热运动组滑板。

图3是本发明实施例提供的导电图形打印、线性扫描固化一体系统工作状态示意图。

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，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。

本发明利用多轴运动机构在非展开曲面上打印导电墨水的同时打印平台下面的加热棒跟随打印喷头移动进行表干加速溶剂挥发，打印结束后再用光子固化线性光源导电墨水，最后形成电子线路；能有效解决打印时导电墨水固化慢、墨滴渗导致边界不齐、表干不均匀、固化不均匀等问题，有效提高了打印效率，提升了所打印物品的品质。

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导电图形打印、线性扫描固化一体方法包括以下步骤：

S101：被打印的非展开曲面导电模型固定于打印平台，分析非展开曲面导电模型，并对被打印模型进行切片处理，生成运动指令；

S102：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；

S103：控制控制三轴运动机构工作，使打印喷头运动打印出未固化的导电图形，同时加热模块开启控制温度，跟随打印喷头运动的同时对导电图形进行表干，加速导电墨水溶剂挥发，防止墨水流动、渗透影响精度；冷却模块工作为打印喷头降温，防止打印喷头内的墨水被加热模块影响；

S104：当导电图形完成打印时，线性固化光源开启，光线通过线性透镜聚焦成高能量线性光线，通过运动模块对导电图形进行扫描运动，将导电图形中剩余的容易蒸发的同时，对金属粒子进行烧结连城片面，实现导电功能；

S105：获得导电图形。

如图2所示，本发明实施例提供的导电图形打印、线性扫描固化一体系统包括：工作台1、设于工作台1上的三轴联动打印模块和与三轴联动打印模块相连接的扫描光子固化模块、冷却模块10、加热模块11。

三轴联动打印模块包括用于控制喷墨位置的三轴运动组、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；三轴运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；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；数控系统与三轴运动组和打印喷头8联合工作，打印导电图形。

线性光子光子固化模块包括电源、固化运动组模块5和线性固化光源；扫描光源模块设于工作台1上，且穿过打印平台7与固化运动组模块5连接；固化运动组模块5位于打印平台7下方，用于控制扫描线性固化光源9对导电图形进行运动扫描固化，包括固化运动组精密丝杆28、固化运动组导轨29、固化运动组电机30、固化运动组滑板31，固化运动组精密丝杆28与固化运动组导轨29沿固化运动组模块5平行安装在工作台1上，固化运动组精密丝杆28一端设有固化运动组电机30，固化运动组滑板31设于固化运动组精密丝杆28和固化运动组导轨29上，固化运动组精密丝杆28与固化运动组滑板31螺纹连接，固化运动组电机30带动固化运动组精密丝杆28旋转，固化运动组精密丝杆28带动固化运动组滑板31沿固化运动组导轨29做直线运动；电源位于装置后方。

冷却模块10包括半导体制冷模块、水箱13和冷却筒；冷却筒套在打印喷头8外侧用于打印喷头制冷，半导体制冷模块、水箱13和冷却筒通过橡胶水管连接形成水循环实现冷却打印喷头8作用。

加热模块11包括加热运动组6；加热模块11位于打印平台7下侧，用于加速导电墨水有机溶剂挥发，加热运动组6包括加热运动组精密丝杆32、加热运动组导轨33、加热运动组电机34、加热运动组滑板35，加热运动组精密丝杆32与加热运动组导轨33沿加热运动组6平行安装在工作台1上，所加热运动组精密丝杆32一端设有加热运动组电机34，加热运动组滑板35设于加热运动组精密丝杆32和加热运动组导轨33上，加热运动组精密丝杆32与加热运动组滑板35螺纹连接，加热运动组电机33带动加热运动组精密丝杆32旋转，加热运动组精密丝杆32带动加热运动组滑板34沿加热运动组导轨33做直线运动。

在三轴运动组中，其中，Y轴组3包括Y轴精密丝杆20、Y轴导轨21、Y轴电机22、Y轴滑板23，Y轴精密丝杆20与Y轴导轨21沿Y轴平行安装在工作台1上，Y轴精密丝杆20一端设有Y轴电机22，Y轴滑板23设于Y轴精密丝杆20和Y轴导轨21上，Y轴精密丝杆20与Y轴滑板23螺纹连接，Y轴电机22带动Y轴精密丝杆20旋转，Y轴精密丝杆20带动Y轴滑板23沿Y轴导轨21做直线运动；X轴组2包括X轴精密丝杆16、X轴导轨17、X轴电机18、X轴滑板19，X轴精密丝杆16一端安装在Y轴滑板19的上部，X轴精密丝杆16与X轴导轨17沿X轴平行设置，X轴滑板19穿设于X轴精密丝杆16与X轴导轨17上，X轴精密丝杆16与X轴滑板19螺纹连接，X轴精密丝杆16一端与X轴电机18的输出轴相连，X轴电机18带动X轴精密丝杆16旋转，X轴精密丝杆16带动X轴滑板19沿X轴导轨17做直线运动；Z轴组4包括Z轴精密丝杆24、Z轴导轨25、Z轴电机26、Z轴滑板27；Z轴精密丝杆24一端安装在X轴滑板上27，Z轴精密丝杆24与Z轴导轨25沿Z轴平行设置，Z轴滑板27穿设于Z轴精密丝杆24与Z轴导轨25上，Z轴精密丝杆24与Z轴滑板27螺纹连接，Z轴精密丝杆24一端与Z轴电机26的输出轴相连；Z轴电机26带动Z轴精密丝杆24旋转，Z轴精密丝杆24带动Z轴滑板27沿Z轴导轨25做直线运动。

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)

1.一种导电图形打印、线性扫描固化一体方法，其特征在于，所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法利用多轴运动机构在非展开曲面上打印导电墨水的同时打印平台下面的加热棒跟随打印喷头移动进行表干加速溶剂挥发，打印结束后再用光子固化线性光源导电墨水，形成电子线路。

2.如权利要求1所述的导电图形打印、线性扫描固化一体方法，其特征在于，所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法包括以下步骤：

步骤一，被打印的非展开曲面导电模型固定于打印平台，分析非展开曲面导电模型，并对被打印模型进行切片处理，生成运动指令；

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，控制控制三轴运动机构工作，打印喷头运动打印出未固化的导电图形，同时加热模块开启控制温度，跟随打印喷头运动的同时对导电图形进行表干；冷却模块为打印喷头降温；

步骤四，导电图形完成打印时，线性固化光源开启，光线通过线性透镜聚焦成高能量线性光线，通过运动模块对导电图形进行扫描运动，将导电图形中剩余的容易蒸发，对金属粒子进行烧结连城片面，实现导电；

步骤五，获得导电图形。

3.一种如权利要求1所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，其特征在于，所述导电图形打印、线性扫描固化一体系统包括：

工作台；

设置于工作台上的三轴联动打印模块和与三轴联动打印模块相连接的扫描光子固化模块、冷却模块、加热运动模块。

4.如权利要求3所述的的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，其特征在于，所述三轴联动打印模块包括：

用于控制喷墨位置的三轴运动组；

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。

5.如权利要求4所述的的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，其特征在于，所述三轴运动组包括：

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、Y轴组、Z轴组；X轴组、Y轴组、Z轴组设于工作台的上部空间且相互连接；数控系统与三轴运动组和打印喷头联合工作，打印导电图形；

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；

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轴滑板设于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；

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。

6.如权利要求3所述的的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，其特征在于，所述线性光子光子固化模块包括电源、固化运动组模块和扫描光源模块；

扫描光源模块设于工作台上，且穿过打印平台与固化运动组模块连接；固化运动组模块位于打印平台下方，用于控制扫描线性固化光源对导电图形进行运动扫描固化。

7.如权利要求6所述的的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，其特征在于，所述固化运动组模块包括固化运动组精密丝杆、固化运动组导轨、固化运动组电机、固化运动组滑板；

固化运动组精密丝杆与固化运动组导轨沿固化运动组模块平行安装在工作台上，固化运动组精密丝杆一端设有固化运动组电机，固化运动组滑板设于固化运动组精密丝杆和固化运动组导轨上，固化运动组精密丝杆与固化运动组滑板螺纹连接，电源位于固化运动组模块后方。

8.如权利要求3所述的的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，其特征在于，所述冷却模块包括半导体制冷模块、水箱和冷却筒；

冷却筒套在打印喷头外侧用于打印喷头制冷，半导体制冷模块、水箱和冷却筒通过橡胶水管连接。

9.如权利要求3所述的的导电图形打印、线性扫描固化一体系统，其特征在于，所述加热模块包括加热运动组；加热模块位于打印平台下侧，用于加速导电墨水有机溶剂挥发；

加热运动组包括加热运动组精密丝杆、加热运动组导轨、加热运动组电机、加热运动组滑板；

加热运动组精密丝杆与加热运动组导轨沿加热运动组平行安装在工作台上，加热运动组精密丝杆一端设有加热运动组电机，加热运动组滑板设于加热运动组精密丝杆和加热运动组导轨上，加热运动组精密丝杆与加热运动组滑板螺纹连接。

10.一种应用权利要求1～2任意一项所述导电图形打印、线性扫描固化一体方法的打印机。