CN109366976A - 用于共形天线和电路一体化制造的3d打印装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法，采用电场驱动喷射3D打印、熔融沉积成型、五轴联动3D打印相结合，实现共形天线和电路的一体化制造；采用FDM技术制造天线的基体结构，采用电场驱动喷射3D打印技术制造共形天线的电路；利用FDM喷头和打印平台五自由度运动实现各种复杂天线基体结构的自支撑打印，基于五轴联动平台和电场驱动喷射3D打印喷头实现天线导电图形在复杂曲面上的高精度共形打印；FDM喷头采用送丝机构供应打印耗材，实现打印耗材的按需供应；采用原位激光烧结技术，实现打印电路的同步烧结固化；采用CCD相机辅助定位，并对电路打印过程实时监控本发明具有多种优点和广泛工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法。
背景技术
共形天线作为无线电子通讯设备中的新兴技术，是在传统的天线基础之上发展的一种新技术，是具备“共形”特征这一类天线的总称。共形阵天线是指附着于载体表面且与载体贴合的阵列天线，其需要将阵列天线共形附着在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线阵。共形天线和共形阵天线能够共形在一个特殊的载体之上，使得共形天线与载体具有密不可分的关系，而且这个特殊的载体可以是飞机的机翼、导弹的弹头、载人飞船的某一部分外壳等等。共形天线阵列技术作为天线技术重要发展的方向，具有诸多突出的优势和潜能，当前无论是在航天和国防领域，还是在民用产品领域都已经成为天线发展的必然趋势和方向。另外，为了进一步减小体积和降低重量，提升射频性能，相控阵射频电路需要把天线阵元和移相器芯片一体化最优路径整合在一起，采用共面波导形式来省略线缆和金属部件，实现结构功能两者一体化设计，且同步的用最小的体积和最小重量来满足设计指标。这对于共形天线及电路一体化制造提出越来越高的要求，现有的传统的制造技术在实现共形天线及电路一体化快捷制造方面面临着巨大的挑战。
当前共性天线/共形阵天线在性能和制造等方面的功能需求主要包括：
(1)微型化：结构紧凑，减小尺寸和体积；
(2)轻量化：降低重量，采用点阵、功能梯度、碳纤维复合等先进材料和结构，在确保需要的强度/刚度同时，减少重量；
(3)共形化：低剖面特点，天线在复杂曲面结构上共形能力，嵌入到承载体与其完全共形的能力，减少对空气动力学特性的影响；
(4)曲面化：自由曲面成形(天线基体)和构型(天线功能结构)；
(5)多材料：基体非金属材料、天线金属材料、封装材料等，一体化制造；
(6)高强度：承受各种不同的载荷；
(7)非均质：基体具有非均质、功能梯度结构的显著特性；
(8)多功能：具有多重功能性(力学、物理、电和气动性能等)，机电一体；
(9)跨尺度：天线线宽和整体结构的大面积宏/微跨尺度；
(10)高精度：为了提高共形天线的性能，对于天线线宽和共形能力要求越来越高，共形天线的高精度制造技术是共形加载天线结构微型化面临的重大挑战。
(11)新型高性能天线材料：同时满足高精度3D打印，与基体良好的粘附能力，以及后续低温烧结工艺等要求的导电材料。
目前提出的用于制造共形天线的技术包括印刷电子技术、喷墨打印技术、气溶胶喷射打印技术、3D直写技术、激光直写纳米颗粒技术、激光还原法、电流体动力喷印等。其中，印刷电子线路技术灵活性不够高，且制造的电路精度也很有限，难以制造附着于复杂曲面之上的共形天线，一般用于在简单结构上低精度要求的电路印刷；喷墨打印技术存在着喷印打印分辨率低、液滴尺寸受限于喷嘴直径、喷嘴容易堵塞等缺点，并且所使用的打印材料种类非常有限；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，其原理为将五轴机床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，但气溶胶喷印方法设备造价高，工艺复杂，生产效率较低，无法实现基体和电路一体化制造；3D直写技术结合六自由度机械手，存在精度差、无法实现基体和共形电路一体化打印等问题，目前并没有实际生产应用；激光直写纳米颗粒和激光还原法能够获得导电性较好且分辨率在纳米尺度的金属结构，但是对于共形布线而言，纳米颗粒的铺覆较为困难，粉末和溶液耗费较多，结合六自由度机械手用于制造共形天线时，存在精度差、无法实现基体和共形电路一体化打印等问题，目前并没有实际生产应用；黄永安在(申请号201710915067.1)中提出一种复杂曲面电路共形喷印方法和设备，其原理是利用电流体动力喷印，结合使待喷印物能六自由度运动的平台，在墨液、电极环和待喷印物上形成梯度电势差，并在现有的基体上绘制曲面电路，其不足之处在于，无法直接制造共形基体，因此不能实现共形天线的一体化制造。
现有的制造技术不能实现共形天线基体和电路的一体化制造，并且在已有基体上制造电路时存在制造精度低、共形能力差、制造材料种类有限等不足，因此亟需发展高精度共形3D打印技术，实现共形天线和共形阵天线的高效低成本规模化制造。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法，本发明能够实现共形天线基体的制造，又能在基体上完成共形电路的一体化制造。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，包括安装平台，所述安装平台上设置X轴Ⅰ位移台，X轴Ⅰ位移台上设置X轴Ⅰ安装台，X轴Ⅰ安装台上安装可倾回转工作台，可倾回转工作台上设置具有真空吸附和加热功能的打印床，打印床上吸附有打印衬底；
所述打印衬底上方对应设置FDM喷头和电场驱动喷头模块，所述FDM喷头固定在喷头安装架Ⅰ上，喷头安装架Ⅰ安装在Z轴Ⅰ位移台上，Z轴Ⅰ位移台安装在Z轴Ⅰ安装平台上，Z轴Ⅰ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅰ，打印耗材从耗材支架经过托链Ⅰ进入FDM喷头；
所述X轴Ⅱ位移台两端分别通过Y轴Ⅰ滑动连接装置、Y轴Ⅱ滑动连接装置与Y轴Ⅰ位移台和Y轴Ⅱ位移台安装连接，Y轴Ⅰ位移台安装在立柱Ⅱ和立柱Ⅲ顶部，Y轴Ⅱ位移台安装在立柱Ⅰ和立柱Ⅳ顶部，立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、立柱Ⅲ和立柱Ⅳ的底部分别固定安装在安装平台上，并与安装平台保持垂直；
所述电场驱动喷头模块包括喷嘴、电极架、环形电极和储料筒四个部分，储料筒安装在储料筒固定架上，储料筒固定架与喷头安装架Ⅱ相连接，喷嘴同轴安装在储料筒下方，且与储料筒连通，环形电极与喷嘴保持同轴，环形电极固定在电极架上，电极架安装在储料筒上；所述环形电极与高压电源的输出端接通，高压电源与信号发生器连接并接地；所述电场驱动喷头模块固定在喷头安装架Ⅱ上，并在左右两侧分别设置激光器和CCD相机，激光器和CCD相机连接于喷头安装架Ⅱ上，喷头安装架Ⅱ安装在Z轴Ⅱ位移台上，Z轴Ⅱ位移台安装在Z轴Ⅱ安装平台上，Z轴Ⅱ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅱ，电场驱动喷头模块的储料筒上方设置供料管路和供气管路，所述供料管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密注射泵，精密注射泵安装在注射泵支架上；所述供气管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密调压表，再接通惰性气体瓶。
作为进一步限定，所述安装平台保持水平，四个立柱等高且与安装平台垂直，X轴Ⅰ位移台与X轴Ⅱ位移台保持平行。
作为进一步限定，所述喷嘴为武藏式针头或不锈钢喷嘴、玻璃针头(针头喷金导电处理)等，喷嘴内径范围1-200微米。
作为进一步限定，所述电场驱动喷头模块采用高粘度纳米银浆、纳米镍/银等金属的溶液、改性液态金属等各种与基体粘附较好的导电液态材料作为共形天线的电路制造材料。
作为进一步限定，所述惰性气体瓶优先采用高纯氮气瓶，也可以是氦气、氩气，精密调压表的工作范围是：0.1-8bar。
作为进一步限定，所述激光器为光斑直径小于0.1毫米的细点激光器。
作为进一步限定，所述激光器安装在激光器支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度之间可调节，激光器支架固定在喷头安装架Ⅱ上；
所述CCD相机安装在相机支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度之间可调节，相机支架固定在喷头安装架Ⅱ上。
作为进一步限定，所述可倾回转工作台，能够在绕X轴方向实现±90度范围内的倾转，能够在绕Z轴方向实现360度范围的回转。
作为进一步限定，所述打印床同时具备真空吸附功能和加热功能，吸附各种底面平整的打印衬底，并对打印衬底进行加热，最高加热温度为150℃。
作为进一步限定，所述X轴Ⅰ位移台、X轴Ⅱ位移台的有效行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±0.3微米，绝对定位精度不低于±0.6微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s^2。
作为进一步限定，所述Y轴Ⅰ位移台、Y轴Ⅱ位移台的有效行程0-1000毫米，重复定位精度不低于±0.3微米，绝对定位精度不低于±0.6微米最大速度700mm/s，最大加速度500m/s^2。
作为进一步限定，所述Z轴Ⅰ位移台、Z轴Ⅱ位移台的有效行程0-200毫米，绝对定位精度不低于±0.1微米。
所述高压脉冲电源具有以下功能，输出直流高压；输出交流高压；输出脉冲高压，且能够设置偏压。设置的偏压范围0-2KV连续可调，直流高压0-5KV，输出脉冲直流电压0-±4KV连续可调，输出脉冲频率0Hz-3000Hz连续可调。交流高压0-±4KV。
本发明还提供一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置的工作方法，包括以下步骤：
步骤1：X轴Ⅰ位移台、X轴Ⅱ位移台、Y轴Ⅰ位移台、Y轴Ⅱ位移台、Z轴Ⅰ位移台和Z轴Ⅱ位移台位置归零；
步骤2：Z轴Ⅰ位移台上的FDM喷头根据所用打印材料设定的温度进行加热，同时打印床开始加热打印衬底至设定温度；
步骤3：Z轴Ⅰ位移台移动至X轴Ⅱ位移台中央位置并下降，使FDM喷嘴达到预定高度，开始在打印衬底上打印共形天线的基体；
步骤4：Z轴Ⅰ位移台位置归零，Z轴Ⅱ位移台移动至X轴Ⅱ位移台中央，开启激光器、CCD相机、精密注射泵、精密调压表、信号发生器和高压电源，并设定相关工艺参数，电场驱动喷头模块下降至打印高度，开始在共形天线基体上进行电路打印；
步骤5：关闭各工作部件，X轴Ⅰ位移台、X轴Ⅱ位移台、Y轴Ⅰ位移台、Y轴Ⅱ位移台、Z轴Ⅰ位移台和Z轴Ⅱ位移台位置归零。
当然，本发明还可以包括步骤6：后处理步骤，从打印衬底上取下打印好的共形天线，进行后处理。
作为进一步限定，所述步骤1中，Z轴Ⅰ位移台零点位于X轴Ⅱ位移台右端，Z轴Ⅱ位移台零点位于X轴Ⅱ位移台左端。
作为进一步限定，所述步骤3中，打印共形天线基体的FDM喷头所用打印材料可以是PPEK、PEEK、PLA、ABS、碳纤维复合材料、纳米复合材料等热熔融材料。
作为进一步限定，所述步骤3中，共形天线基体为多层结构，打印喷嘴在打印第一层结束后，上升一个层厚高度，以打印的实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成共形天线基体的打印。
作为进一步限定，所述步骤3中，可倾回转工作台配合各位移台实现五自由度的3D打印，通过调整可倾回转工作台的旋转角度来实现无支撑复杂基体的3D打印。
作为进一步限定，所述步骤3中，打印衬底为能被打印床吸附的各种底面平整的导体、半导体或绝缘体材料。
作为进一步限定，所述步骤4中，电路结构打印的材料采用高粘度纳米银浆、纳米镍/银等金属的溶液、改性液态金属等各种与基体粘附较好的导电液态材料作为共形天线的电路制造材料。
作为进一步限定，所述步骤4中，在共形天线基体的曲面上打印电路时，可倾回转工作台通过旋转一定角度，使打印材料沉积位置始终与喷嘴垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)采用双喷头结构，既能完成天线基体的打印，又能完成共形电路的制造，实现共形天线和电路的一体化制造。尤其是能实现复杂曲面载体共形天线一体化制造。天线电路与基体良好的结合能力。
(2)采用原位激光烧结技术，实现打印电路的同步烧结固化，防止打印材料在基体上扩散，提高了打印精度和效率。
(3)采用可倾回转工作台结合三维精密位移台的结构，能实现五自由度3D打印，在制作复杂共形天线基体时，通过调整可倾回转工作台的旋转角度，来避免使用支撑结构。
(4)采用环形电极结构的电场驱动喷头模块，只需环形电极与高压电源输出端相连，不需要接地的衬底作为对电极，通过静电感应作用形成锥射流所需要的稳定电场，能够减少或者避免传统电流体动力喷射打印中导电喷嘴与导电衬底之间放电或者短路放电等现象，提高打印过程的稳定可靠性。尤其是克服了传统电喷印打印高度的限制，能在任意形状衬底上进行高精度打印。
(5)电场驱动喷头模块采用供液模块和背压模块相结合的供料方式，能够实现微量液体连续稳定供料，以保证稳定、持续的完成电路打印工作。
(6)打印电路分辨率较高，最小可打印2μm线宽的导电线路，并能通过多层堆积实现高深宽比电路的打印。
(7)打印电路线宽均匀一致，通过调整可倾回转工作台的旋转角度，使打印材料沉积位置始终与喷嘴垂直，沉积材料均匀一致。
(8)采用CCD相机辅助定位，并对电路打印过程实时监控，能及时根据打印情况调整工艺参数。
(9)使用武藏喷嘴，喷嘴不易损坏，能提高打印的可靠性。相对于普通喷嘴，武藏喷嘴前端管道内部形状能够有效的减少溶液流出的阻力。另外，与普通的精密针头相比较，针头前段内部较短，不易堵塞，提高使用寿命。内径抛光处理，提高针头内部表面光滑度，实现微量稳定挤出打印材料。
(10)设备造价相对较低，工作效率较高，制造的共形天线精度极高。
(11)既能实现共形天线基体的制造，又能在基体上完成电路的一体化制造，同时又能对电路打印过程实时监控和观测，还能用于其它非平整曲面的电路印刷，或者复杂三维结构的无支撑打印，具有多种优点和广泛工业化应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本实施例提供的3D打印装置的结构示意图。
其中：1、安装平台，201、立柱Ⅰ，202、立柱Ⅱ，203、立柱Ⅲ，204、立柱Ⅳ，3、X轴Ⅰ位移台，4、X轴Ⅰ安装台，5、可倾回转工作台，6、打印衬底，7、打印床，8、共形天线，901、电极架，902、环形电极，10、喷嘴，11、储料筒，12、储料筒固定架，13、CCD相机，14、相机支架，15、FDM喷头，1601、Y轴Ⅰ位移台，1602、Y轴Ⅱ位移台，1701、Y轴Ⅰ滑动连接装置，1702、Y轴Ⅱ滑动连接装置，18、X轴Ⅱ位移台，19、耗材支架，20、耗材，21、托链Ⅰ，22、Z轴Ⅰ安装台，23、喷头安装架Ⅰ，24、Z轴Ⅰ位移台，25、Z轴Ⅱ安装台，26、喷头安装架Ⅱ，27、Z轴Ⅱ位移台，28、托链Ⅱ，29、供料管路，30、注射泵架，31、精密注射泵，32、供气管路，33、精密调压表，34、惰性气体瓶，35、信号发生器，36、高压电源，37、激光器，38、激光器支架，39、电场驱动喷头模块，40、供液模块，41、背压模块。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术均存在一定的缺陷与不足之处，不能实现共形天线和电路一体化制造，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其工作方法。本发明提供的打印装置主要特点在于：
(1)采用电场驱动喷射3D打印、熔融沉积成型(FDM)、五轴联动3D打印相结合，实现共形天线和电路的一体化制造；
(2)采用FDM技术制造天线的基体结构，采用电场驱动喷射3D打印技术制造共形天线的电路；
(3)利用FDM喷头和打印平台五自由度运动(五轴联动)实现各种复杂天线基体结构的自支撑打印(不再需要支撑材料，解决一体化打印支撑去除的难题)，基于五轴联动平台和电场驱动喷射3D打印喷头实现天线导电图形(电路)在复杂曲面上的高精度共形打印；
(4)采用PPEK、PEEK、PLA、ABS、碳纤维复合材料、纳米复合材料等热熔融材料作为共形天线基体的制造材料，采用高粘度纳米银浆、纳米镍/银等金属的溶液、改性液态金属等各种与基体粘附较好的导电液态材料作为共形天线的电路制造材料；
(5)电场驱动喷头模块采用供液模块和背压模块相结合的供料模式，实现打印材料的微量、稳定、持续供应，FDM喷头采用送丝机构供应打印耗材，实现打印耗材的按需供应；
(6)采用原位激光烧结技术，实现打印电路的同步烧结固化；
(7)采用CCD相机辅助定位，并对电路打印过程实时监控。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，它包括1安装平台，安装平台1上设置X轴Ⅰ位移台3，X轴Ⅰ位移台3上设置有X轴Ⅰ安装台4，X轴Ⅰ安装台4上安装可倾回转工作台5，可倾回转工作台5上设置具有真空吸附和加热功能的打印床7，打印床7上吸附打印衬底6，打印衬底6上方对应设置FDM喷头15和电场驱动喷头模块39。
其中，FDM喷头15固定在喷头安装架Ⅰ23上，喷头安装架Ⅰ23安装在Z轴Ⅰ位移台24上，Z轴Ⅰ位移台24安装在Z轴Ⅰ安装平台22上，Z轴Ⅰ安装平台22安装在X轴Ⅱ位移台18上，X轴Ⅱ位移台18上方设置有托链Ⅰ21，打印耗材20从耗材支架19经过托链Ⅰ21，进入FDM喷头15；
电场驱动喷头模块39包括喷嘴10、电极架901、环形电极902和储料筒11四个部分，储料筒11安装在储料筒固定架12上，储料筒固定架12与喷头安装架Ⅱ26相连接，喷嘴10同轴安装在储料筒11下方，且与储料筒11连通，环形电极902与喷嘴10保持同轴，环形电极902固定在电极架901上，电极架901与储料筒11外部安装连接，环形电极902下表面略高与喷嘴10最底部，高度差约为200μm；环形电极902与高压电源36的输出端接通，高压电源36与信号发生器35连接并接地；
电场驱动喷头模块39左右两侧分别设置激光器37和CCD相机13，激光器37安装在激光器支架38上，激光器支架38安装在喷头安装架Ⅱ26上，CCD相机13安装在相机支架14上，相机支架14安装在喷头安装架Ⅱ26上，喷头安装架Ⅱ26安装在Z轴Ⅱ位移台27上，Z轴Ⅱ位移台27安装在Z轴Ⅱ安装平台25上，Z轴Ⅱ安装平台25安装在X轴Ⅱ位移台18上，X轴Ⅱ位移台18上方设置有托链Ⅱ28；
电场驱动喷头模块39的储料筒11上方接通供料管路29和供气管路32，供料管路29经过托链Ⅱ28，一端接通储料筒11，另一端连接精密注射泵31，精密注射泵31安装在注射泵支架30上；供气管路32经过托链Ⅱ28，一端接通储料筒11，另一端连接精密调压表33，再接通惰性气体瓶34；X轴Ⅱ位移台18两端分别通过Y轴Ⅰ滑动连接装置1701、Y轴Ⅱ滑动连接装置1702与Y轴Ⅰ位移台1601和Y轴Ⅱ位移台1602安装连接；Y轴Ⅰ位移台安装在立柱Ⅱ202和立柱Ⅲ203顶部，Y轴Ⅱ位移台安装在立柱201Ⅰ和立柱Ⅳ204顶部；
立柱Ⅰ201、立柱Ⅱ202、立柱Ⅲ203和立柱Ⅳ204的底部分别固定安装在安装平台1上，并与安装平台1保持垂直，安装平台1保持水平，四个立柱等高且与安装平台1垂直，X轴Ⅰ位移台与X轴Ⅱ位移台保持平行。
可倾回转工作台5能够在绕X轴方向实现±90度范围内的倾转，能够在绕Z轴方向实现360度范围的回转。
打印喷嘴10优先采用武藏式针头，也可以是不锈钢喷嘴、玻璃针头(针头喷金导电处理)等，喷嘴内径范围1-200微米。
储料瓶11为非金属不透明材质，容量为0-500ml；采用两级调整(供液模块40和背压模块41)的供料方式供料。供料管路29为不透明材料，管径为1-3毫米。
打印共形天线基体的FDM喷头15所用打印材料可以是PPEK、PEEK、PLA、ABS、碳纤维复合材料、纳米复合材料等热熔融材料。
电场驱动喷头模块39采用高粘度纳米银浆、纳米镍/银等金属的溶液、改性液态金属等各种与基体粘附较好的导电液态材料作为共形天线的电路制造材料。
打印床7具有真空吸附打印衬底6，并对其按设定温度加热的功能。
CCD相机13为工业相机或者高分辨率CCD，采用8倍率镜头。
惰性气体瓶34优先采用高纯氮气瓶，也可以是氦气、氩气，精密调压表28的工作范围是：0.1-8bar。
激光器37为光斑直径小于0.1毫米的细点激光器。
X轴Ⅰ位移台3、X轴Ⅱ位移台18、Y轴Ⅰ位移台1601、Y轴Ⅱ位移台1602、Z轴Ⅰ位移台24、Z轴Ⅱ位移台27组成三维运动结构。
X轴Ⅰ位移台3、X轴Ⅱ位移台18、Y轴Ⅰ位移台1601、Y轴Ⅱ位移台1602可以采用直线电机驱动，Z轴Ⅰ位移台24、Z轴Ⅱ位移台27可以采用高分辨率步进电机驱动。
X轴Ⅰ位移台3、X轴Ⅱ位移台18、Y轴Ⅰ位移台1601、Y轴Ⅱ位移台1602、Z轴Ⅰ位移台24、Z轴Ⅱ位移台27也可采用高精密压电驱动。
本实施例中，X轴Ⅰ位移台3、X轴Ⅱ位移台18是直线电机模组，有效行程200毫米，重复定位精度不低于±0.3微米，绝对定位精度不低于±0.6微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s^2。
Y轴Ⅰ位移台1601、Y轴Ⅱ位移台1602是直线电机模组，有效行程200毫米，重复定位精度不低于±0.3微米，绝对定位精度不低于±0.6微米，最大速度700mm/s，最大加速度500m/s^2。
Z轴Ⅰ位移台24、Z轴Ⅱ位移台27采用高分辨率步进电机+精密光栅，行程200毫米，绝对定位精度1微米。
高压脉冲电源36，具有以下功能，输出直流高压；输出交流高压；输出脉冲高压，且能够设置偏压。设置的偏压范围0-2KV连续可调，直流高压0-5KV，输出脉冲直流电压0-±4KV连续可调，输出脉冲频率0Hz-3000Hz连续可调。交流高压0-±4KV。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置的工作方法，具体的，采用内径100μm的武藏喷嘴，以玻璃为打印衬底、以PPEK为共形天线基体打印材料、以纳米银浆为共形天线基体上的电路打印材料，利用发明所述的用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，实现一体化制造共形天线的打印工艺过程如下：
步骤1：打印初始化。X轴Ⅰ位移台3、X轴Ⅱ位移台18、Y轴Ⅰ位移台1601、Y轴Ⅱ位移台1602、Z轴Ⅰ位移台24、Z轴Ⅱ位移台27等各位移台位置归零。
步骤2：加热。Z轴Ⅰ位移台24上的FDM喷头15加热至320℃，同时打印床7将打印衬底6加热至100℃；
步骤3：基体结构打印。Z轴Ⅰ位移台24移动至X轴Ⅱ位移台18中央位置并下降，使FDM喷嘴15达到预定高度，开始在打印衬底6上打印共形天线的基体。
步骤4：电路结构打印。Z轴Ⅰ位移台24位置归零，Z轴Ⅱ位移台27移动至X轴Ⅱ位移台18中央，开启激光器37、CCD相机13、精密注射泵31、精密调压表33、信号发生器35和高压电源36，并设定相关工艺参数(精密注射泵31的流量设为10μL/min；精密调压表33的气压设为0.15bar；信号发生器35选择正弦电压，频率设为1kHz；高压电源36的输出电压设为1500V)，电场驱动喷头模块39下降至打印高度，开始在共形天线基体上进行电路打印。
步骤5：打印结束。关闭各工作部件，X轴Ⅰ位移台3、X轴Ⅱ位移台18、Y轴Ⅰ位移台1601、Y轴Ⅱ位移台1602、Z轴Ⅰ位移台24、Z轴Ⅱ位移台27等各位移台位置归零。
步骤6：后处理。从打印衬底6上取下打印好的共形天线8，进行后处理。
Z轴Ⅰ位移台24零点位于X轴Ⅱ18位移台右端，Z轴Ⅱ位移台27零点位于X轴Ⅱ位移台18左端。
打印共形天线基体的FDM喷头所用打印材料可以是PPEK、PEEK、PLA、ABS、碳纤维复合材料、纳米复合材料等热熔融材料。
共形天线基体为多层结构，打印喷嘴在打印第一层结束后，上升一个层厚高度，以打印的实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成共形天线基体的打印。
可倾回转工作台配合各位移台实现五自由度的3D打印，通过调整可倾回转工作台的旋转角度来实现无支撑复杂基体的3D打印。
打印衬底为能被打印床吸附的各种底面平整的导体、半导体、绝缘体材料。
电路结构打印的材料采用高粘度纳米银浆、纳米镍/银等金属的溶液、改性液态金属等各种与基体粘附较好的导电液态材料作为共形天线的电路制造材料。
在共形天线基体的曲面上打印电路时，可倾回转工作台通过旋转一定角度，使打印材料沉积位置始终与喷嘴垂直。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：包括安装平台，所述安装平台上设置X轴Ⅰ位移台，X轴Ⅰ位移台上设置X轴Ⅰ安装台，X轴Ⅰ安装台上安装可倾回转工作台，可倾回转工作台上设置具有真空吸附和加热功能的打印床，打印床上吸附有打印衬底；
所述打印衬底上方对应设置FDM喷头和电场驱动喷头模块，所述FDM喷头固定在喷头安装架Ⅰ上，喷头安装架Ⅰ安装在Z轴Ⅰ位移台上，Z轴Ⅰ位移台安装在Z轴Ⅰ安装平台上，Z轴Ⅰ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅰ，打印耗材从耗材支架经过托链Ⅰ进入FDM喷头；
所述X轴Ⅱ位移台两端分别通过Y轴Ⅰ滑动连接装置、Y轴Ⅱ滑动连接装置与Y轴Ⅰ位移台和Y轴Ⅱ位移台安装连接，Y轴Ⅰ位移台安装在立柱Ⅱ和立柱Ⅲ顶部，Y轴Ⅱ位移台安装在立柱Ⅰ和立柱Ⅳ顶部，立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、立柱Ⅲ和立柱Ⅳ的底部分别固定安装在安装平台上，并与安装平台保持垂直；
所述电场驱动喷头模块包括喷嘴、电极架、环形电极和储料筒，储料筒安装在储料筒固定架上，储料筒固定架与喷头安装架Ⅱ相连接，喷嘴同轴安装在储料筒下方，且与储料筒连通，环形电极与喷嘴保持同轴，环形电极固定在电极架上，电极架安装在储料筒上；所述环形电极与高压电源的输出端接通，高压电源与信号发生器连接并接地；所述电场驱动喷头模块固定在喷头安装架Ⅱ上，并在左右两侧分别设置激光器和CCD相机，激光器和CCD相机连接于喷头安装架Ⅱ上，喷头安装架Ⅱ安装在Z轴Ⅱ位移台上，Z轴Ⅱ位移台安装在Z轴Ⅱ安装平台上，Z轴Ⅱ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅱ，电场驱动喷头模块的储料筒上方设置供料管路和供气管路，所述供料管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密注射泵，精密注射泵安装在注射泵支架上；所述供气管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密调压表，再接通惰性气体瓶。
2.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述安装平台保持水平，四个立柱等高且与安装平台垂直，X轴Ⅰ位移台与X轴Ⅱ位移台保持平行。
3.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述电场驱动喷头模块采用金属的溶液或改性液态金属导电液态材料作为共形天线的电路制造材料。
4.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述激光器安装在激光器支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度之间可调节，激光器支架固定在喷头安装架Ⅱ上；
所述CCD相机安装在相机支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度之间可调节，相机支架固定在喷头安装架Ⅱ上。
5.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述可倾回转工作台，能够在绕X轴方向实现±90度范围内的倾转，能够在绕Z轴方向实现360度范围的回转。
6.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述X轴Ⅰ位移台、X轴Ⅱ位移台的有效行程0-1000毫米；
所述Y轴Ⅰ位移台、Y轴Ⅱ位移台的有效行程0-1000毫米；
所述Z轴Ⅰ位移台、Z轴Ⅱ位移台的有效行程0-200毫米。
7.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述高压脉冲电源能够输出直流高压、输出交流高压和输出脉冲高压，且能够设置偏压；
设置的偏压范围0-2KV连续可调，直流高压0-5KV，输出脉冲直流电压0-±4KV连续可调，输出脉冲频率0Hz-3000Hz连续可调；交流高压0-±4KV。
8.如权利要求1-7中任一项所述的3D打印装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：X轴Ⅰ位移台、X轴Ⅱ位移台、Y轴Ⅰ位移台、Y轴Ⅱ位移台、Z轴Ⅰ位移台和Z轴Ⅱ位移台位置归零；
步骤2：Z轴Ⅰ位移台上的FDM喷头根据所用打印材料设定的温度进行加热，同时打印床开始加热打印衬底至设定温度；
步骤3：Z轴Ⅰ位移台移动至X轴Ⅱ位移台中央位置并下降，使FDM喷嘴达到预定高度，开始在打印衬底上打印共形天线的基体；
步骤4：Z轴Ⅰ位移台位置归零，Z轴Ⅱ位移台移动至X轴Ⅱ位移台中央，开启激光器、CCD相机、精密注射泵、精密调压表、信号发生器和高压电源，并设定相关工艺参数，电场驱动喷头模块下降至打印高度，开始在共形天线基体上进行电路打印；
步骤5：关闭各工作部件，X轴Ⅰ位移台、X轴Ⅱ位移台、Y轴Ⅰ位移台、Y轴Ⅱ位移台、Z轴Ⅰ位移台和Z轴Ⅱ位移台位置归零。
9.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：
所述步骤3中，打印共形天线基体的FDM喷头所用打印材料为PPEK、PEEK、PLA、ABS、碳纤维复合材料或纳米复合材料；
或，所述步骤3中，共形天线基体为多层结构，打印喷嘴在打印第一层结束后，上升一个层厚高度，以打印的实体表面为目标打印位置，继续再进行下一层截面的沉积打印，如此循环，直至完成共形天线基体的打印；
或，所述步骤3中，可倾回转工作台配合各位移台实现五自由度的3D打印，通过调整可倾回转工作台的旋转角度来实现无支撑复杂基体的3D打印；
或，所述步骤3中，打印衬底为能被打印床吸附的底面平整的导体、半导体或绝缘体材料。
10.如权利要求8所述的工作方法，其特征是：所述步骤4中，电路结构打印的材料采用金属溶液或改性液态金属的导电液态材料作为共形天线的电路制造材料；
或，所述步骤4中，在共形天线基体的曲面上打印电路时，可倾回转工作台通过旋转一定角度，使打印材料沉积位置始终与喷嘴垂直。
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