CN108811355B - 基于3d打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置及工艺方法，装置包括机械臂系统、3D打印机及滑轨系统，其原理为基于3D打印机，采用喷墨打印头或熔融挤出头对天线基材结构进行打印成型，在打印天线基材的过程中采用滑轨的方式将打印平台整体进行工位切换，在第一工位上采用机械臂系统将喷墨头伸入至已成型的基材框体腔内，控制打印喷头调至与基材框体内表面法向后开启打印功能，按照既定轨迹将设计好的金属线路图形喷印于已成型基材的内表面，完成图形的喷印后，通过滑轨将打印平台切换至第二工位，恢复基材模型的打印，此后进行两个过程的循环打印最终完成内表面线路结构的一体化成型。本发明可实现共形化天线、内壁曲面线路图形等快速制造。

Description

基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置及工 艺方法

技术领域

本发明涉及带内表面金属化线路基材的制备技术领域，具体为一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置及工艺方法。

背景技术

针对未来导弹导引头隐身及轻量化需求，天线或隐身结构均将面向共形化设计，提出了将金属图形将直接布置于导引头天线罩内部，将天线与天线罩的功能进行复合的要求，以减少原有的天线载体达到减重的目的。使导引头天线罩突破原有结构件的功能，而使其附有功能化特征。

在天线及隐身结构设计过程中，考虑到天线罩外侧与气流摩擦所产生的热量，因此天线或隐身结构只能附着于天线罩内壁。天线罩内壁的金属化图形以现有加工手段LDS(Laser-Direct-structuring)、LAP及转印的方式难以实现，主要原因在于LDS与LAP激光活化的焦距目前仅限于10～20mm范围，而转印则要用到转印模具，两者由于激光焦距及装置、转印模具尺寸限制而无法在内表面进行金属图形的制备。

针对未来电子产品的集成化、小型化等特点，将出现结构件和电器件进行某种程度上的结合，以既可以实现结构件在力学方面的作用同时又可实现一定的电气化功能。目前尚没有针对狭小空间内壁上做电子线路的制造工艺，已有的报道也是针对在已有基材的外表曲面进行电子线路的增材制造，但外表面的线路需要进行二次防护，在一些恶劣的工作环境下，二次防护的难度很大。

现有的表面金属线路制备工艺方法主要依靠膜贴、转印的方法实现，而针对非规则曲面的内壁，由于受到腔体尺寸及结构干涉的影响而致使无法采用传统工艺完成在内壁上电子线路的制备。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置及工艺方法，可应用于内表面线路、共形化天线及基材的一体化制备，方便初期设计模型的快速验证及迭代，缩短研发周期。使用该工艺方法也可以实现单独其中一项功能，如采用机械臂单独喷印导电浆料，其可应用于曲面模型上制备附形线路。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：包括机械臂系统、3D打印机及滑轨系统；

所述3D打印机能够在位于第二工位的打印平台上打印成型基材部分；所述基材具有内腔结构；

所述机械臂系统具有喷墨打印头；所述机械臂系统能够控制喷墨打印头在位于打印平台上的基材内腔壁面上打印电子浆料，此时打印平台位于第一工位上；

所述滑轨系统位于第一工位与第二工位之间，打印平台利用滑轨系统能够在第一工位与第二工位之间移动。

进一步的优选方案，所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：3D打印机和机械臂系统采用统一的数据模型；所述统一的数据模型包括基材数据模型和基材内腔壁面上的金属化线路数据模型。

进一步的优选方案，所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：滑轨系统以及第一工位和第二工位均处于恒温舱室内。

进一步的优选方案，所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：机械臂系统的喷墨打印头采用气溶胶式喷头、压电式喷头或点胶头。

进一步的优选方案，所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：所述3D打印机采用喷墨打印头或熔融挤出头。

进一步的优选方案，所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：3D打印机采用三轴运动3D打印机。

进一步的优选方案，所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：所述机械臂系统具有六自由度手臂，手臂能够带动喷墨打印头六自由度运动。

利用上述装置进行一体化制备基材及内表面金属化线路的工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立包含基材数据模型和基材内腔壁面金属化线路数据模型的统一数据模型；并根据统一数据模型设计3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径；

步骤2：将步骤1中设计的3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径分割为若干段，并将分段后的3D打印机打印路径与机械臂系统中喷墨打印头移动路径交替衔接；

步骤3：根据步骤2设计得到的3D打印机打印路径，控制3D打印机在位于第二工位的打印平台上打印基材部分，并在一段步骤2设计的3D打印机打印路径完成后，暂停3D打印机动作；通过滑轨系统将打印平台移动至第一工位；根据步骤2设计得到的机械臂系统中喷墨打印头移动路径，控制喷墨打印头在基材内腔壁面上打印电子浆料；

步骤4：按照步骤2设计的交替衔接的3D打印机打印路径与机械臂系统中喷墨打印头移动路径，重复步骤3，直至完成基材及内表面金属化线路的一体化制造。

有益效果

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)该3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的工艺与传统制作工艺相比，整个制作过程简单化，制作周期短响应速度快，可以用手板模型的快速验证。

2)传统工艺为先采用注塑的方式实现基材模型，将电子线路印制于薄膜上，再通过转印的方式将线路图形印在腔体壁面上，针对复杂曲面的狭小空间内壁则无法通过该方法制备，而且针对狭小空间的规则曲面在转印过程中也存在定位及干涉、图形变形等问题。通过对比可以发现所发明的一体化制备装置及工艺方法，可实现基材及电子线路的一体化成型，不仅节省材料、缩减制作成本，而且由于基材与内表面金属化线路交替打印，避免了已成型基材与打印头之间的干涉，且整个过程采用统一数据模型文件避免了模型二次打印的重复定位及夹装流程，解决了金属电路图形的定位难问题。

3)该发明的3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置及工艺方法，适应性强。如单独使用机械臂部分，即可在任意曲面模型上实现共形化的金属线路图形。此外该发明工艺，可以衍生出其他方面的应用，如制备夹层线路或改装打印头实现其他多个打印方式的复合等。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置示意图；

其中：1、机械臂系统；2、3D打印机；3、转接杆；4、打印平台；5、滑轨；6、3D打印机的打印头装置；

图2：机械臂系统打印头部位示意图；

其中：7、信号线；8、进料管；9、电路打印头；10、旋转装置；

图3：机械臂在工位1打印内壁金属化线路示意图；

图4：3D打印机在工位2打印天线基材示意图；

图5：机械臂在工位1上打印内壁金属化线路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的基本原理是：

采用三轴运动的3D打印机，配置特定的打印头如喷墨或熔融挤出头对基材部分进行打印成型过程中，在打印一定高度时设置暂停动作后，通过滑轨将打印平台由工位2移动至工位1。在该工位上，采用机械臂系统将装置有喷墨打印头部分伸入至已打印基材的内腔(若内腔口小，则只旋转控制喷墨头调整角度)，通过控制旋转装置调整打印头的角度，开启打印动作后将导电浆料按照既定路径打印于基材内壁上。此后循环上述两个步骤，交替进行基材和电子浆料的打印，从而最终实现基材含内壁金属化线路的一体化制造。

所述的通过滑轨将打印平台移动至另一工位，是指在整个打印装置上设置有滑轨，可将打印平台从基材打印的工位2移动至金属线路打印的工位1，从而实现不同打印工位的切换。即可实现两种打印模式的复合，交错打印，避免成型模型与打印头之间的干涉问题。采用滑轨进行平台的转换目的是主要考虑到在进行基材打印过程中需要将舱室维持在一定的温度，减小内应力及打印过程中的变形。

所述的交替进行基材和电子浆料的打印，是指在基材打印部分后通过设置暂停动作，通过滑轨对打印平台进行工作位的切换，在工位1上采用机械臂进行内壁电路图形的打印，完成后再次切换至基材部位打印工位，以此循环可实现内壁复杂线路图形的打印。从而降低了已成型基材形状与打印头之间的干涉，且整个过程采用统一的模型数据文件，避免了模型二次打印的重复定位及夹装流程。

所述的采用机械臂系统将装置有喷墨打印头部分伸入已打印基材内腔是指在打印平台移动至工位1后采用机械臂的运动将喷墨打印头移动至基材打印腔体内，通过机械臂系统可以带动打印头实现任何空间位置的移动，完成复杂曲面电路图形的打印。即可实现在腔体内外表面进行电子线路图的打印。

基于上述原理，如图所示，本实施例中的基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，包括机械臂系统、3D打印机及滑轨系统。采用三轴运动的3D打印机，配备喷墨打印头或熔融挤出头能够在位于第二工位的打印平台上打印成型基材部分；所述基材具有内腔结构。

所述机械臂系统具有喷墨打印头，具体采用气溶胶式喷头、压电式喷头或点胶头。所述机械臂系统具有六自由度手臂，手臂能够带动喷墨打印头六自由度运动。所述机械臂系统能够控制喷墨打印头在位于打印平台上的基材内腔壁面上打印电子浆料，此时打印平台位于第一工位上。

本实施例中除机械臂系统具有六自由度手臂外，喷墨打印头固定于旋转装置，并与转接杆相连接，通过旋转装置的旋转带动打印头进行空间角度调整，可以实现内壁法向定位，保证内壁金属化线路图形打印的有效实施。

所述滑轨系统位于第一工位与第二工位之间，打印平台利用滑轨系统能够在第一工位与第二工位之间移动，从而实现不同打印工位的切换，实现两种打印模式的复合，交错打印，避免成型模型与打印头之间的干涉问题。采用滑轨进行平台的转换，滑轨系统以及第一工位和第二工位均处于恒温舱室内，保证了进行基材打印过程中需要将舱室维持在一定的温度需要，减小内应力及基材打印过程中的变形。

利用上述装置进行一体化制备基材及内表面金属化线路的工艺方法，包括以下步骤：

步骤1：建立包含基材数据模型和基材内腔壁面金属化线路数据模型的统一数据模型，避免模型二次打印的重复定位及夹装流程；并根据统一数据模型设计3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径；

步骤2：将步骤1中设计的3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径分割为若干段，并将分段后的3D打印机打印路径与机械臂系统中喷墨打印头移动路径交替衔接；

步骤3：根据步骤2设计得到的3D打印机打印路径，控制3D打印机在位于第二工位的打印平台上打印基材部分，并在一段步骤2设计的3D打印机打印路径完成后，暂停3D打印机动作；通过滑轨系统将打印平台移动至第一工位；根据步骤2设计得到的机械臂系统中喷墨打印头移动路径，采用机械臂系统控制喷墨打印头在基材内腔壁面上打印电子浆料；

步骤4：按照步骤2设计的交替衔接的3D打印机打印路径与机械臂系统中喷墨打印头移动路径，重复步骤3，交替进行基材和电子浆料的打印，从而最终实现基材含内壁金属化线路的一体化制造。

本实施例中的模型为内壁含金属化图形的锥形天线罩，其结构为靠近顶部收缩状，因此采用LDS及LAP工艺很难伸入腔体内部实现顶部基材的活化。

图3～5为本发明打印过程中的部分阶段展示。图3为在采用FDM打印基材一定高度后转到工位1上，采用机械臂系统将带有打印头的部位伸入至基材腔体内部，通过喷墨头上的旋转装置，调整好打印头的角度开启喷墨动作，按照既定轨迹运动将电子浆料喷印于基材内壁。完成该动作后，通过滑轨将打印平台从工位1移动至工位2上，见图4所示。再次采用FDM进行基材的三维堆叠，打印至一定高度后，再次进行内壁金属电路图形的打印，如图5所示。由于模型在顶部收缩，打印头装置已经无法伸入至腔体内部，此时通过旋转控制喷墨头调整角度，实现喷墨头进行开口处腔体内壁金属图形的喷墨。按照两种模式的交替循环打印，最终实现基材和内壁金属电路的一体化制备。

应用本发明技术可以实现基材和电子线路的一体化成型，尤其针对内壁金属电路图形的制备优势非常明显，其特点为流程简化、打印过程中共用统一数据模型，在基材成型过程中实施对内壁电子线路的制造，避免了二次加工定位及打印头与模型干涉、密闭腔内电子线路无法制备的问题，可实现共形化天线、内壁曲面线路图形等快速制造，为研发阶段模型的快速验证、缩短迭代周期提供了一条捷径。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：包括机械臂系统、3D打印机及滑轨系统；

所述3D打印机能够在位于第二工位的打印平台上打印成型基材部分；所述基材具有内腔结构；

所述机械臂系统具有喷墨打印头；所述机械臂系统能够控制喷墨打印头在位于打印平台上的基材内腔壁面上打印电子浆料，此时打印平台位于第一工位上；所述机械臂系统具有六自由度手臂，手臂能够带动喷墨打印头六自由度运动；

所述滑轨系统位于第一工位与第二工位之间，打印平台利用滑轨系统能够在第一工位与第二工位之间移动；

3D打印机和机械臂系统采用统一的数据模型；所述统一的数据模型包括基材数据模型和基材内腔壁面上的金属化线路数据模型；根据统一数据模型设计3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径；将3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径分割为若干段，并将分段后的3D打印机打印路径与机械臂系统中喷墨打印头移动路径交替衔接；

滑轨系统以及第一工位和第二工位均处于恒温舱室内。

2.根据权利要求1所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：机械臂系统的喷墨打印头采用气溶胶式喷头、压电式喷头或点胶头。

3.根据权利要求1所 述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：所述3D打印机采用喷墨打印头或熔融挤出头。

4.根据权利要求1所述一种基于3D打印一体化制备基材及内表面金属化线路的装置，其特征在于：3D打印机采用三轴运动3D打印机。

5.利用权利要求1所述装置进行一体化制备基材及内表面金属化线路的工艺方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：建立包含基材数据模型和基材内腔壁面金属化线路数据模型的统一数据模型；并根据统一数据模型设计3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径；

步骤2：将步骤1中设计的3D打印机的打印路径和机械臂系统中喷墨打印头的移动路径分割为若干段，并将分段后的3D打印机打印路径与机械臂系统中喷墨打印头移动路径交替衔接；

步骤3：根据步骤2设计得到的3D打印机打印路径，控制3D打印机在位于第二工位的打印平台上打印基材部分，并在一段步骤2设计的3D打印机打印路径完成后，暂停3D打印机动作；通过滑轨系统将打印平台移动至第一工位；根据步骤2设计得到的机械臂系统中喷墨打印头移动路径，控制喷墨打印头在基材内腔壁面上打印电子浆料；

步骤4：按照步骤2设计的交替衔接的3D打印机打印路径与机械臂系统中喷墨打印头移动路径，重复步骤3，直至完成基材及内表面金属化线路的一体化制造。

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