CN111629528A - 一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二自由度平衡环的曲面微笔直写成形装置，其中二自由度平衡环系统、气动导电油墨供料系统、曲面基板支撑系统均安装在平台支架上，曲面基板支撑的工作轴心与气动导电油墨供料系统的直写针头轴心重合，真空泵通过气管连接在曲面基板支撑系统的吸盘连接杆部分，电场电源正负极分别连接在气动导电油墨供料系统的直写针头部分和曲面基板支撑系统的电极部分，从而使固定在二自由度平衡环系统上的曲面基板处在直写针头与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。本发明使曲面基板的待直写区域时刻保持水平，可实现曲面基板上电路的直写成形，可以在形状比较复杂的随机曲面基板表面直写制备具有电学性能的微型电路。

Description

一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置

技术领域

本发明涉及电子电路制造领域，具体涉及一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置。

背景技术

微型印刷电路电子元器件的直写制造是近年来兴起的一种新型微型电路制造工艺。相比于传统制造工艺(光刻，化学蚀刻等)制作的微电子元器件，通过直写技术制造的应变片、薄膜电阻、薄膜电感、薄膜电容等器件拥有更小的体积和更好的性能。同时，相比传统制造工艺，微型电路的直写制造工艺污染更小，浪费原材料更少，环境友好度更高。此外，直写在柔性基底上的微型印刷电路电子元器件还拥有一定程度的弯折能力。

但是目前为止，微电子元器件的直写工艺仍然局限在平面基底上。在平面基底上，通常的直写制造工艺是将平面基底放置在水平度很高的置物台上，通过微笔在平面基底上按设定程序移动并喷出导电油墨，经过后续处理得到得到平面基底上的直写电路成品。而在曲面基底上，一般的做法是利用扫描建模，先获得曲面基底的参数，然后通过多轴平台操纵微笔直写等装置获得在曲面上直写电路及电子元件的能力；或通过高精度距离传感器实时调整直写笔头与基板间距，实现曲面上直写电路及电子元件的能力。虽然上述方式原理较为成熟，但可惜的是，附加过多的多轴平台、精确扫描设备、传感器等装置会造成成本过高，维护保养困难，操作复杂等问题。随着微型电路工程领域技术进步，微型电路的制备已经不再局限于平面基底的直写制造，这对低成本的曲面电路直写提出了需求。

发明内容

本发明的一个目的在于，针对微型电路在随机曲面上的直写打印需求，提出一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，使得微型电路的直写技术在曲面基底上的制备成为现实，通过基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置可在随机曲面基底上制备出具有一定电学性能的微型电路，应用于电子电路制造领域。。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，包括二自由度平衡环系统、气动导电油墨供料系统、曲面基板支撑系统、二维移动单元及控制系统、平台支架、真空泵和电场电源；

二维移动单元及控制系统包括：上步进电机丝杠和下步进电机丝杠；所述上步进电机丝杠固定在所述下步进电机丝杠的滑块上；

所述平台支架自上而下依次分为上部、中部和下部；

所述二自由度平衡环系统固定在所述上步进电机丝杠滑块上，所述下步进电机丝杠固定在平台支架上的中部；

所述气动导电油墨供料系统安装在平台支架的上部；

所述曲面基板支撑系统安装在平台支架的下部，且所述曲面基板支撑系统的工作轴心与气动导电油墨供料系统的直写针头轴心重合；

所述真空泵通过气管连接在曲面基板支撑系统的吸盘连接杆部分；

所述电场电源正负极分别连接在气动导电油墨供料系统的直写针头部分和曲面基板支撑系统的电极部分；从而使固定在二自由度平衡环系统上的待直写曲面基板处在直写针头与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。

进一步地，所述二自由度平衡环系统包括平衡环支架、平衡外环和带有曲面基板固定装置的平衡内环；

所述平衡环支架固定在二维移动单元及控制系统的上步进电机丝杠的滑块上；

所述平衡外环外侧面通过转轴与平衡环支架相连；所述带有曲面基板固定装置的平衡内环通过转轴与平衡外环的内侧面相连，两组转轴在同一水平面上并相互垂直。

进一步地，所述曲面基板固定装置为G型夹；至少两个所述G型夹沿所述平衡内环等间距设置。

进一步地，所述气动导电油墨供料系统包括：气压泵及控制装置、直写针头、注射器筒体、气管扣件、气管、注射器夹持装置、高度微调装置、直写联动滑块和直写联动滑轨；

所述直写联动滑轨固定在平台支架上部，所述直写联动滑块套在直写联动滑轨上；所述高度微调装置固定在直写联动滑块上；所述注射器夹持装置固定在高度微调装置上；所述注射器筒体安装在注射器夹持装置上；

所述气管扣件安装在注射器筒体上，所述气压泵及控制装置通过气管连接至气管扣件上；所述直写针头安装在注射器筒体上；在气压泵及控制装置产生的稳定气压下推动注射器筒体内的活塞进行导电油墨的挤出。

进一步地，所述曲面基板支撑系统包括支撑杆、真空海绵吸盘、吸盘连接杆、三个万向球、支撑杆弹簧、支撑杆滑块和支撑杆滑轨；

所述支撑杆滑轨固定在平台支架上，所述支撑杆滑块套在支撑杆滑轨上；所述支撑杆固定在支撑杆滑块上；所述万向球固定在支撑杆上，所述吸盘连接杆固定在支撑杆上；

所述真空海绵吸盘固定在吸盘连接杆上；所述支撑杆弹簧固定在支撑杆和平台支架之间；

所述真空泵连接在吸盘连接杆上，真空海绵吸盘通过真空泵产生的吸力将固定在平衡内环上的待直写曲面基板与三个万向球贴合，三个万向球形成的平面为水平，与二自由度平衡环系统的摇摆作用共同保证曲面基板的待直写区域时刻保持水平。

进一步地，所述万向球的材质为尼龙，塑料和橡胶中的一种。

进一步地，所述二维移动单元及控制系统还包括：计算机及电机驱动装置；

所述计算机及电机驱动装置与上步进电机丝杠和下步进电机丝杠上的步进电机相连接，形成控制回路。

进一步地，所述平台支架上固定有两个联动摇臂和一个联动杆；

所述两个联动摇臂分别与气动导电油墨供料系统和曲面基板支撑系统连接，所述联动杆连接两个联动摇臂；两个联动摇臂和联动杆的联动作用：将曲面基板支撑系统的支撑杆在直写过程中，由于待直写曲面基板的摇摆产生的上下位移，传递至气动导电油墨供料系统处，使得直写针头相对于待直写曲面基板的距离保持不变。

进一步地，所述平台支架的材质为铝合金和不锈钢中的一种。

本发明优点在于，本发明提供的基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置：

(1)本发明充分利用二自由度平衡环，借助二自由度平衡环的摇摆运动和装置中其他构件的运动功能，从而使曲面基板的待直写区域时刻保持水平。

(2)本发明能够实现形状比较复杂的随机曲面基板上的微型电路的直写制备，满足微型电路的性能要求,能够对曲面电路直写进行初步试验；另外，本发明各部分均为模块化制造，易于组装维修。

(3)本发明主要通过机械部件联动实现曲面基板上微型电路的直写制备，装置内没有距离传感器及扫描设备，制造成本较低。

(4)本发明可在任意非展开曲面上成型图案；只需计算机输入直写图形的相关尺寸参数，对曲面的共形通过联动机械结构完成，无需通过计算机开发程序建立曲面模型，无需复杂运算。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置的结构图；

图2为本发明实施例提供的二自由度平衡环系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置的逻辑控制图；

附图中：

Ⅰ、二自由度平衡环系统；Ⅱ、气动导电油墨供料系统；Ⅲ、曲面基板支撑系统；Ⅳ、二维移动单元及控制系统；5、平台支架；6、真空泵；7、电场电源；8、平衡环支架；9、平衡外环；10、平衡内环；11、气压泵及控制装置；12、直写针头；13、注射器筒体；14、气管扣件；15、气管；16、注射器夹持装置；17、高度微调装置；18、直写联动滑块；19、直写联动滑轨；20、支撑杆；21、真空海绵吸盘；22、吸盘连接杆；23、万向球；24、支撑杆弹簧；25、支撑杆滑块；26、支撑杆滑轨；27、计算机及电机驱动装置；28、上步进电机丝杠；29、下步进电机丝杠；30、联动摇臂；31、联动杆；101、G型夹。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔直写成形装置，如图1和图2所示，一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，包括二自由度平衡环系统Ⅰ、气动导电油墨供料系统Ⅰ、曲面基板支撑系统Ⅲ、二维移动单元及控制系统Ⅳ、平台支架5、真空泵6和电场电源7；

上述平台支架5为该装置提供支撑，其材质由数控机床加工，材质包括但不限于铝合金、不锈钢等金属材料。其中，二维移动单元及控制系统Ⅳ包括：上步进电机丝杠28和下步进电机丝杠29；所上步进电机丝杠28固定在下步进电机丝杠29的滑块上；可实现在XY方向的移动。根据图1所示，可将该平台支架5自上而下依次分为上部、中部和下部；为其他结构部件提供支撑。

该二自由度平衡环系统Ⅰ固定在上步进电机丝杠28滑块上，下步进电机丝杠29固定在平台支架上5的中部；

气动导电油墨供料系统Ⅱ安装在平台支架5的上部，曲面基板支撑系统Ⅲ安装在平台支架5的下部且该曲面基板支撑系统Ⅲ的工作轴心与气动导电油墨供料系统Ⅱ的直写针头12轴心重合，真空泵6通过气管15连接在曲面基板支撑系统Ⅲ的吸盘连接杆22部分，电场电源7正负极分别连接在气动导电油墨供料系统Ⅱ的直写针头12部分和曲面基板支撑系统Ⅲ的电极部分，从而使固定在二自由度平衡环系统Ⅰ上的曲面基板处在直写针头12与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。

本实施例中，通过充分利用二自由度平衡环，借助二自由度平衡环的摇摆运动和装置中曲面基板支撑系统、曲面基板支撑系统的运动功能，从而使曲面基板的待直写区域时刻保持水平；能够实现形状比较复杂的随机曲面基板上的微型电路的直写制备，满足微型电路的性能要求,能够对曲面电路直写进行初步试验；另外，本发明各部分均为模块化制造，易于组装维修。

进一步地，参照图2所示，二自由度平衡环系统Ⅰ包括平衡环支架8、平衡外环9和带有曲面基板固定装置的平衡内环10。该平衡环支架8固定在上步进电机丝杠28的滑块上，平衡外环9通过转轴与平衡环支架8相连，带有曲面基板固定装置的平衡内环10通过转轴与平衡外环9相连，两组转轴在同一水平面上并相互垂直。

可使固定在平衡内环10上的待直写曲面基板，通过平衡外环9和平衡内环10的摇摆作用使曲面基板上的待直写区域保持相对水平。

上述的曲面基板固定装置可为G型夹；包括G型本体，G型本体内套接有螺杆，螺杆的一端与顶块相连，且其另一端与螺帽相连；螺杆穿过G型本体上的螺纹孔进行调节，从而实现对待直写的曲面基板进行固定夹紧。

进一步地，上述气动导电油墨供料系统Ⅱ包括气压泵及控制装置11、直写针头12、注射器筒体13、气管扣件14、气管15、注射器夹持装置16、高度微调装置17、直写联动滑块18和直写联动滑轨19；

该直写联动滑轨19固定在平台支架5上，所述直写联动滑块18套在直写联动滑轨19上，可实现小范围内的移动；另外，高度微调装置17固定在直写联动滑块18上，注射器夹持装置16固定在高度微调装置17上，注射器筒体13安装在注射器夹持装置16上，气管扣件14安装在注射器筒体13上，气压泵及控制装置11通过气管15连接至气管扣件14上；直写针头12安装在注射器筒体13上，通过高度微调装置17的微调作用，可实现注射器夹持装置16在垂直方向上的高度可调，最终实现直写针头12的高度可调；最后可在气压泵及控制装置11产生的稳定气压下，推动注射器筒体13内的活塞进行导电油墨的挤出。

上述高度微调装置17，可通过手轮带动齿轮齿条移动，使注射器夹持装置16带动注射器筒体13上下移动调整，最终实现高度可调。

进一步地，上述曲面基板支撑系统Ⅲ包括支撑杆20、真空海绵吸盘21、吸盘连接杆22、三个万向球23、支撑杆弹簧24、支撑杆滑块25和支撑杆滑轨26；

该支撑杆滑轨26固定在平台支架5上，支撑杆滑块25套在支撑杆滑轨26上，支撑杆20固定在支撑杆滑块25上，万向球23固定在支撑杆20上，吸盘连接杆22固定在支撑杆20上，真空海绵吸盘21固定在吸盘连接杆22上，支撑杆弹簧24固定在支撑杆20和平台支架5之间；上述真空泵6通过气管15连接在吸盘连接杆22上，真空海绵吸盘21通过真空泵6产生的吸力将固定在平衡内环10上的曲面基板与三个万向球23贴合，三个万向球23形成的平面为水平，与二自由度平衡环系统Ⅰ的摇摆作用共同保证曲面基板的待直写区域时刻保持水平。

上述真空海绵吸盘21可以对任何材料进行吸附，由橡胶材料制成的，不会对被吸附的平面造成损坏。万向球23可采用包括但不限于尼龙，塑料，橡胶等具有一定缓冲作用的材质，以保护待直写的曲面基板；在直写过程中万向球23可通过支撑杆弹簧24施加的弹力紧贴曲面基板。

进一步地，如图1所示，上述二维移动单元及控制系统Ⅳ还包括，计算机及电机驱动装置27，计算机及电机驱动装置27与上步进电机丝杠28和下步进电机丝杠29上的步进电机相连接，形成控制回路；实现对XY方向移动的控制。

参照图1所示，平台支架5上固定有两个联动摇臂30和一个联动杆31，其中平台支架5的上下部各具有一个联动摇臂30；其中上部的联动摇臂30与气动导电油墨供料系统Ⅱ固定连接；下部的联动摇臂30与曲面基板支撑系统Ⅲ固定连接。上下两个两个联动摇臂30通过联动杆31相连。在两个联动摇臂30和联动杆31的联动作用下，可以将曲面基板支撑系统Ⅲ的支撑杆20在直写过程中由于曲面基板的摇摆产生的上下位移传递至气动导电油墨供料系统Ⅱ处，使得直写针头12相对于曲面基板的距离保持不变。

如图3所示，下面通过一个具体的实施例叙述如下：

量取1ml乙二醇(EG)，将其与3ml去离子水混合，在室温下放置于磁力搅拌器上搅拌直至混合均匀，形成溶剂A。

称取0.8g银纳米颗粒(AgNPs，20-40nm)，将其置于溶剂A中，在室温下放置于超声波破碎机中震荡直至完全溶解，形成导电油墨B。

将配置好的导电油墨B装入到气动导电油墨供料系统Ⅱ中的注射器筒体13中。

将需要直写的曲面基板用去离子水清洗并烘干，固定在二自由度平衡环系统Ⅰ的带有曲面基板固定装置的平衡内环10上。

将真空泵6打开，使曲面基板支撑系统Ⅲ中的真空海绵吸盘21产生吸力，三个万向球23均与曲面基板接触并支撑到位。

调整气动导电油墨供料系统Ⅱ中的高度微调装置17，使直写针头12与曲面基板的距离合适(0.1-0.5mm)。

比如在计算机中用制图软件绘制需要直写的应变栅电路图案，转换成电机驱动程序输入到电机驱动装置中，该步骤中可参照现有技术中对平面基板直写图案的程序制作。

设定气动导电油墨供料系统Ⅱ中气压泵及控制装置11压力为10-20psi,打开电场电源7，启动程序，在曲面基板表面可直写制备出预期的微型应变栅电路。

本发明主要通过机械部件联动实现曲面基板上微型电路的直写制备，装置内没有距离传感器及扫描设备，制造成本较低；可在任意非展开曲面上成型图案；只需计算机输入直写图形的相关尺寸参数，对曲面的共形通过联动机械结构完成，无需通过计算机开发程序建立曲面模型，无需复杂运算。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，包括二自由度平衡环系统(Ⅰ)、气动导电油墨供料系统(Ⅱ)、曲面基板支撑系统(Ⅲ)、二维移动单元及控制系统(Ⅳ)、平台支架(5)、真空泵(6)和电场电源(7)；

二维移动单元及控制系统(Ⅳ)包括：上步进电机丝杠(28)和下步进电机丝杠(29)；所述上步进电机丝杠(28)固定在所述下步进电机丝杠(29)的滑块上；

所述平台支架(5)自上而下依次分为上部、中部和下部；

所述二自由度平衡环系统(Ⅰ)固定在所述上步进电机丝杠(28)滑块上，所述下步进电机丝杠(29)固定在平台支架上(5)的中部；

所述气动导电油墨供料系统(Ⅱ)安装在平台支架(5)的上部；

所述曲面基板支撑系统(Ⅲ)安装在平台支架(5)的下部，且所述曲面基板支撑系统(Ⅲ)的工作轴心与气动导电油墨供料系统(Ⅱ)的直写针头(12)轴心重合；

所述真空泵(6)通过气管(15)连接在曲面基板支撑系统(Ⅲ)的吸盘连接杆(22)部分；

所述电场电源(7)正负极分别连接在气动导电油墨供料系统(Ⅱ)的直写针头(12)部分和曲面基板支撑系统(Ⅲ)的电极部分；从而使固定在二自由度平衡环系统(Ⅰ)上的待直写曲面基板处在直写针头(12)与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。

2.根据权利要求1所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述二自由度平衡环系统(Ⅰ)包括平衡环支架(8)、平衡外环(9)和带有曲面基板固定装置的平衡内环(10)；

所述平衡环支架(8)固定在二维移动单元及控制系统(Ⅳ)的上步进电机丝杠(28)的滑块上；

所述平衡外环(9)外侧面通过转轴与平衡环支架(8)相连；所述带有曲面基板固定装置的平衡内环(10)通过转轴与平衡外环(9)的内侧面相连，两组转轴在同一水平面上并相互垂直。

3.根据权利要求2所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述曲面基板固定装置为G型夹(101)；至少两个所述G型夹沿所述平衡内环(10)等间距设置。

4.根据权利要求2所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述气动导电油墨供料系统(Ⅱ)包括：气压泵及控制装置(11)、直写针头(12)、注射器筒体(13)、气管扣件(14)、气管(15)、注射器夹持装置(16)、高度微调装置(17)、直写联动滑块(18)和直写联动滑轨(19)；

所述直写联动滑轨(19)固定在平台支架(5)上部，所述直写联动滑块(18)套在直写联动滑轨(19)上；所述高度微调装置(17)固定在直写联动滑块(18)上；所述注射器夹持装置(16)固定在高度微调装置(17)上；所述注射器筒体(13)安装在注射器夹持装置(16)上；

所述气管扣件(14)安装在注射器筒体(13)上，所述气压泵及控制装置(11)通过气管(15)连接至气管扣件(14)上；所述直写针头(12)安装在注射器筒体(13)上；在气压泵及控制装置(11)产生的稳定气压下推动注射器筒体(13)内的活塞进行导电油墨的挤出。

5.根据权利要求2所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述曲面基板支撑系统(Ⅲ)包括支撑杆(20)、真空海绵吸盘(21)、吸盘连接杆(22)、三个万向球(23)、支撑杆弹簧(24)、支撑杆滑块(25)和支撑杆滑轨(26)；

所述支撑杆滑轨(26)固定在平台支架(5)上，所述支撑杆滑块(25)套在支撑杆滑轨(26)上；所述支撑杆(20)固定在支撑杆滑块(25)上；所述万向球(23)固定在支撑杆(20)上，所述吸盘连接杆(22)固定在支撑杆(20)上；

所述真空海绵吸盘(21)固定在吸盘连接杆(22)上；所述支撑杆弹簧(24)固定在支撑杆(20)和平台支架(5)之间；

所述真空泵(6)连接在吸盘连接杆(22)上，真空海绵吸盘(21)通过真空泵(6)产生的吸力将固定在平衡内环(10)上的待直写曲面基板与三个万向球(23)贴合，三个万向球(23)形成的平面为水平，与二自由度平衡环系统(Ⅰ)的摇摆作用共同保证曲面基板的待直写区域时刻保持水平。

6.如权利要求5所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述万向球(23)的材质为尼龙，塑料和橡胶中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述二维移动单元及控制系统(Ⅳ)还包括：计算机及电机驱动装置(27)；

所述计算机及电机驱动装置(27)与上步进电机丝杠(28)和下步进电机丝杠(29)上的步进电机相连接，形成控制回路。

8.根据权利要求1所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述平台支架(5)上固定有两个联动摇臂(30)和一个联动杆(31)；

所述两个联动摇臂(30)分别与气动导电油墨供料系统(Ⅱ)和曲面基板支撑系统(Ⅲ)连接，所述联动杆(31)连接两个联动摇臂(30)；两个联动摇臂(30)和联动杆(31)的联动作用：将曲面基板支撑系统(Ⅲ)的支撑杆(20)在直写过程中，由于待直写曲面基板的摇摆产生的上下位移，传递至气动导电油墨供料系统(Ⅱ)处，使得直写针头(12)相对于待直写曲面基板的距离保持不变。

9.如权利要求1所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述平台支架(5)的材质为铝合金和不锈钢中的一种。

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