CN113840468B - 基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法 - Google Patents

基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及表面共形电路的制造技术领域，具体的说是一种工艺成本低、操作简便、适应性广的基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，包括：在工件几何模型表面绘制共形电路；分析工件几何模型，对共形电路覆盖区域进行分区；分别制作各分区的柔性网框丝印网板；将网板固定至工件表面并印刷电路；对共形电路进行印后处理。本发明通过对复杂曲面进行分区，控制各分区内曲面的曲率变化范围，采用柔性网框丝印网板进行印刷，实现低成本、高效率的复杂曲面共形电路制备，可承载大电流，与现有电路制备方法兼容，可应用于照明LED等大功率设备中。

Description

基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法
技术领域：
本发明涉及表面共形电路的制造技术领域，具体的说是一种工艺成本低、操作简便、适应性广的基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法。
背景技术：
曲面共形电路代替传统印制电路板或独立导线，可以充分利用电子设备内部空间，减小设备体积，使机械结构与电路实现一体化。这种结构-功能一体化的特点，利于提高设备的设计灵活度及设备可靠性，可广泛用于通讯电子、汽车电子、医疗设备等领域。
尽管现有技术已经成功制备出不同规格、多种应用领域的曲面共形电路，但现有工艺仍存在一些问题。现有曲面共形电路制备工艺可分为五类：以CN101859613及CN201710021229为例的模塑互连(3D-MID)方法，作为一种表面共形电路的专用制造方法，使用激光处理具有专用材料的工件表面特定区域，使局部表面活化，然后在活化区域进行电镀或化学镀形成共形电路。这种制备方法精度较高，可达±50μm～±200μm。但其设备复杂，3D-MID专用材料成本高昂，电镀、化学镀存在环境污染问题；电镀、化学镀方法制备10μm以上的较厚导电层生产效率低，易出现孔洞等缺陷，较少用于制备厚度10μm以上、承载大电流的电路；以CN105448800及CN105538721为例的3D打印方法，使用多轴联动3D打印机直写方式制作曲面电路，精度取决于机械定位精度及喷嘴内径。但打印设备复杂，打印过程中对曲面进行逐点逼近，效率低，增加制造时间和成本；以US20190115167、【An inkjet printednear isotropic 3-D antenna with embedded electronics for wireless sensorapplications】为例的电路与基底整体成型制造方法，在平面基底上印刷电路，再将基底与电路一起进行热压、折叠，形成曲面共形电路，电路成型过程简单，但无法用于已有曲面，对基材及导电材料的塑性有较高要求，变形过程对电路性能存在影响；以CN110312372、CN109475047为例的转印方法，先在平面柔性转印印章表面制作电路图形，再将转印印章附于曲面上转移电路图形，转印精度受模板影响，可一次成型整个电路，但需要电路胶粘剂或专门的导电材料，转印印章需制作凹槽或经过激光处理，增加了工艺步骤及成本，可一次成型整个电路，但可印刷的电路整体尺寸受到限制。以CN202826673、CN101107127为例的曲面丝网印刷方法，通过定位装置旋转待印件，或者采用定形组件使丝网与待印表面相接近，实现圆柱体等规则结构体表面共形电路的印刷，但这种方法无法用于复杂曲面上的共形电路制造，难以实现内曲面上的共形电路制造。
上述三维曲面共形电路制备的解决方案，都具有一定程度的局限性：基于逐点逼近三维曲面的3D-MID方法及3D打印方法需要专门设备，成本高昂，效率较低，电镀和化学镀污染严重，且难以制备10μm以上厚度的高质量电路，不能用于承载大电流；电路与基底整体成型的方法工艺兼容性较差，对基底及导电材料有塑性要求，无法用于已有曲面；转印方法工艺步骤复杂，对材料有较高要求，精度及电路印制尺寸受限；传统丝网印刷方法便于制备厚膜电路，但无法印制复杂曲面共形电路，工艺适应性较差，刚性网框可能与承印物结构干涉，限制电路图形的尺寸。因此，需要开发工艺简单、成本低、可量产、工艺兼容性好的新型共形电路制备工艺。
发明内容：
本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够实现复杂曲面上的大面积共形电路制造、并避免传统刚性网框与工件结构的干涉对电路图形的限制、降低三维曲面电路制造成本的基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法。
本发明通过以下措施达到：
一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：绘制共形电路，并确定待加工三维工件表面的共形电路覆盖区域；
步骤2：对共形电路覆盖区域进行分区，具体为：
步骤2-1：确定可展开区域和不可展开区域，计算共形电路覆盖区域中每一点的高斯曲率kg，并判断kg是否为0，其中任意一个kg＝0的连续区域称为可展开区域，所有可展开区域的集合记为{Ei}，i＝1…m，m为可展开区域的总数；任意一个kg≠0的连续区域，称为不可展开区域，所有不可展开区域的集合记为{NEi}，i＝1…n，n为不可展开区域的总数；
步骤2-2：分别对可展开区域和不可展开区域进一步分区，其中对可展开区域进行平面可展开区域和非平面可展开区域的确定，对不可展开区域进行球面区域和非球面区域的确定；
步骤2-3：根据步骤2-2获得的分区数据集合获得可印刷的分立区域集合数据；
步骤3：制作柔性网框丝网网板，分别制作可印刷的分立区域电路图形对应的分区丝网网板，分区丝网网板上的电路图形与待加工工件表面绘制的共形电路图形等弧长对应；
步骤4：使用柔性网框丝网印刷制备共形电路，对于各个可印刷的分立区域，沿其母线两端的导线分别固定柔性网框的底端，将对应的丝网的背面固定在柔性网框顶端，使可印刷的分立区域的丝网网板上的各点均沿其素线方向均匀张紧；柔性网框丝网网板的交界处使用套印连接电路；所有可印刷的分立区域印刷完毕后，依次将印刷电路后的分区的丝网网板及柔性网框从工件表面移除。
本发明步骤2-2中所述对可展开区域进行平面可展开区域和非平面可展开区域的确定包括以下内容：
对每一个可展开区域Ei，计算其中每个点的平均曲率ka，根据ka的取值对每个可展开区域进行第二次分区，形成若干个ka＝0的连续区域和若干个ka≠0的连续区域；其中任意一个ka＝0的连续区域称为平面可展开区域，所有平面可展开区域的集合记为{EPi}，i＝1…mp，mp为平面可展开区域的总数；任意一个ka≠0的连续区域，称为非平面可展开区域，所有非平面可展开区域的集合记为{NPi}，i＝1…np，np为非平面可展开区域的总数。
本发明步骤2-2中所述对不可展开区域进行球面区域和非球面区域的确定，通过计算不可展开区域中各个点的高斯曲率kg，依据各点kg是否为定值进行划分，其中kg为定值的连续的点划定为球面区域，kg不为定值的连续的点确定为非球面区域，其中不可展开区域的集合{NEi}中所有部分球面的集合记为{NEQi}，i＝1…neq，neq为{NEQi}的元素总数；{NEQi}的补集即为不可展开区域中非球面的集合，记为{NENQi}，i＝1…nenq，nenq＝ne-neq；然后对球面区域和非球面区域分别进行分区处理，其中对非球面区域的分区处理包括：
步骤2-2-1-1：不可展开区域中非球面的第一次分区，对NENQ1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向，作出该不可展开区域的所有素线；找出每条素线上所有的拐点和折点；把相邻素线上对应的拐点或折点连接起来；这些连线与该不可展开区域的边界线组合，把该不可展开区域分成若干个分立的连续区域，这些区域即构成NENQ1的分区区域，所有分区区域的集合的集合记为{NENQ1i}，i＝1…nenq1，nenq1为{NENQ1i}的元素总数；若上述所有素线上均无拐点或折点，则{NENQ1i}＝NENQ1；按所述方法，对NENQ2，进行分区，形成与NENQ2对应的分区区域集合{NENQ2i}，i＝1…nenq2，nenq2为{NENQ2i}的元素总数；依此类推，分别确定与NENQj，j＝3…n对应的{NENQji}；所有{NENQji}的并集，即为{NENQi}的第一次分区区域集合，记为{NEFi}，i＝1…nef，nef为{NEFi}的元素总数；
步骤2-2-1-2：不可展开区域中非球面区域的第二次分区：对NEF1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，作出该区域的所有素线；找出每条素线上所有的拐点和折点；把相邻素线上对应的拐点或折点连接起来；这些连线与该不可展开区域的边界线组合，把该不可展开区域分成若干个分立的连续区域，这些区域即构成NEF1的分区区域，所有NEF1的分区区域的集合记为{NEF1i}，i＝1…nef1，nef1为{NEF1i}的元素总数；若上述所有素线上均无拐点或折点，则{NEF1i}＝NEF1；按所述方法，对NEF2进行分区，形成与NEF2对应的分区区域集合{NEF2i}，i＝1…nef2，nef2为{NEF2i}的元素总数；依此类推，分别确定与NEFj，j＝3…nef对应的{NEFji}；所有{NEFji}的并集，即为不可展开区域中非球面的第二次分区区域集合，记为{NESi}，i＝1…nes，nes为{NESi}的元素总数；步骤2-2-1-3：不可展开区域中非球面区域第二次分区区域的分类：对NES1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，确定该区域NES1的母线及母线两端分别对应的导线，这两条导线的长度分别记为C1和C2；将这两条导线上的每一点沿NES1在该点的外法线方向偏置距离h，移动后对应各点构成的两条曲线的长度分别记为CM1和CM2；h为丝网印刷的离网间距，待印电路的线宽为d，所需达到的线宽精度为±2p，若CM1<d+2w且CM<d+2w，则NES1为不可印刷区域；若CM1≥d+2w且CM2≥d+2w，同时有(CM1-C1)/C1≤p/d及(CM2-C2)/C2≤p/d，则NES1为一个可印刷的分立区域；若NES1既不是不可印刷区域也不是可印刷的分立区域，则NES1为需要细分的区域；按所述方法，依次确定{NESi}中的所有元素为不可印刷区域、可印刷的分立区域或需要细分的区域；将{NESi}中所有可印刷的分立区域的集合记为{NESPi}，i＝1…nesp，nesp为{NESPi}的元素总数；将{NESi}中所有需要细分的区域的集合记为{NESSi}，i＝1…ness，ness为{NESSi}的元素总数；
其中对球面区域的分区处理包括：
步骤2-2-2-1：球面的分区：对NEQ1，确定该区域中待印电路的主延展方向，做出与主延展方向相垂直的方向上球面的所有素线；若所有素线上均无拐点，则NEQ1为一个独立的分立区域；若素线上有拐点，则找出每条素线上的拐点；把相邻素线上的对应拐点连接起来，拐点连线将NEQ1分成两个分立的区域，分别记为NEQ11和NEQ12；按所述方法，对NEQi，i＝2…neq进行操作，将NEQi确定为一个独立的分立区域，或者分为两个分立的区域NEQi1和NEQi2；将所有分立区域的集合记为{NEQFi}，i＝1…neqf，neqf为{NEQFi}的元素总数；
步骤2-2-2-2：球面分区区域的分类：对NEQF1，确定与其素线相对应的母线及母线两端分别对应的导线，这两条导线的长度分别记为C1和C2；将这两条导线上的每一点沿NEQF1在该点的外法线方向偏置距离h，平移后构成的两条曲线的长度分别记为CM1和CM2；若CM1<d+2w且CM<d+2w，则NEQF1为不可印刷区域；若CM1≥d+2w且CM2≥d+2w，同时有(CM1-C1)/C1≤p/d及(CM2-C2)/C2≤p/d，则NEQF1为一个可印刷的分立区域；若NEQF1既不是不可印刷区域也不是可印刷的分立区域，则NEQF1为需要细分的区域；按所述方法，依次确定{NEQFi}中的所有元素为不可印刷区域、可印刷的分立区域或需要细分的区域；将{NEQFi}中所有可印刷的分立区域的集合记为{NEQFPi}，i＝1…neqfp，neqfp为{NEQFPi}的元素总数；将{NEQFi}中所有需要细分的区域的集合记为{NEQFSi}，i＝1…neqfs，neqfs为{NEQFSi}的元素总数。
本发明步骤2-2中还包括对不可展开区域中需要细分区域的进一步分区处理，具体为：将{NEQFSi}与{NESSi}的合集记为{NEXi}，i＝1…nex，nex为{NEXi}的元素总数；对NEX1，记t1为[(CM1-C1)/C1/(p/d)]的整数部分，记t2为[(CM2-C2)/C2/(p/d)]的整数部分，记t为t1、t2中的最大值，将母线两端的导线分别分为等长的t+1份线段；两导线相对应的第i份线段之间所张的区域即为NEX1的第i个细分区域；NEX1的所有细分区域的集合记为{NEX1Sj}，j＝1…t+1；按所述方法，依次确定{NEXi}中所有元素的细分区域集合{NEXiSj}；所有细分区域集合{NEXiSj}的并集记为{NETi}，i＝1…net，net为{NETi}的元素总数。
本发明步骤2-3中可印刷的分立区域集合的确定包括可展开区域中分立印刷区域的确定以及不可展开区域中分立印刷区域的确定，其中可展开区域中分立印制区域的确定具体为：确定每个非平面可展开区域的母线延伸方向；找出与EP1相邻的所有非平面可展开区域形成的集合记为{NP1i}，i＝1…np1，np1为与EP1相邻的所有非平面可展开区域的总数；{NP1i}中，母线延伸方向相同的元素构成{NP1i}的一个子集；所有这些子集中，元素总数最大的子集记为{NP1Mi}，i＝1…np1m，np1m为{NP1Mi}的元素总数；{NP1Mi}与EP1合并，形成一个大的连续区域，构成与EP1对应的第一分立印制区域；在{Ei}中除{NP1Mi}及EP1以外的所有元素中，找出与EP2相邻的所有非平面可展开区域形成的集合记为{NP2i}，i＝1…np2，np2为{NP2i}的元素总数；按所述方法，确定{NP2Mi}，并将其与EP2合并形成与EP2对应的第一分立印制区域；依此类推，分别确定与EPi，i＝3…mp对应的第一分立印制区域；若未找到与EPj对应的{NPjMi}，则EPj自身构成一个独立的分立印制区域；{NPi}中所有未合并到上述任一分立印制区域的元素构成一个新的集合记为{NPDi}，i＝1…npd，npd为{NPDi}的元素总数；{NPDi}中两相邻元素若在相连处的母线方向相同，则相互合并形成一个大的连续区域，构成一个分立印制区域；上述所有分立印制区域的集合记为{ETi}，i＝1…et，et为{ETi}的元素总数；
最终获得可印刷的分立区域集合数据为：{ETi}、{NESPi}、{NEQFPi}和{NETi}的合集记为{Pi}，i＝1…p，p＝et+nesp+neqfp+net；{Pi}中的任一个元素即为一个可印刷的分立区域。
本发明步骤1中待加工三维工件表面的共形电路覆盖区域的确定具体为：在计算机上使用三维建模软件构建需要印制电路的工件几何模型，并在工件几何模型表面绘制共形电路图形，做整个共形电路的外轮廓线(即整个共形电路的最外缘界线)，将工件表面上共形电路外轮廓线上各点均沿该点的外法线方向偏移一个距离w，偏移后的各点围成的区域作为共形电路覆盖区域，距离w为丝网网框与待印电路外轮廓线间的最小间距，w≥1mm，优选的，w＝3～5mm。
本发明步骤3所述柔性网框与对应的分区丝网网板的电路图形最外缘平行，所述柔性网框靠近电路图形一侧与所述共形电路最外缘距离1mm以上，优选1mm～4mm；柔性网框宽度优选1mm～2mm；所述柔性网框优选塑料、高硬度合成橡胶、多节金属铰链，所述柔性网框需能承受丝网6N/cm～30N/cm的张网力。
本发明步骤4中丝网网板通过柔性网框固定于工件表面上方并张紧时，优选将丝网网板直接粘贴于柔性网框顶端，柔性网框底端直接粘贴于工件表面；可使用夹具或手工张紧方法保持丝网张紧；所述共形电路采用导电浆料进行柔性网框丝网印刷。
本发明丝网印刷的离网间距h≤5mm，进一步，优选h的范围为1-3mm。
本发明通过分析工件表面共形电路覆盖区域，对复杂曲面进行分区，限制各分区内曲面弯曲程度的变化范围，配合采用新型柔性网框丝网印刷方法，对各分区的共形电路进行曲面丝网印刷，可实现复杂三维结构工件外表面、内表面复杂结构曲面共形电路的制造，大大降低共形电路制造难度，成本低廉，可实现量产。本发明采用的新型柔性网框丝网印刷方法，与传统电路制造工艺兼容，且在空间受到限制的条件下也能印，该方法印制共形电路的精度可达±50μm或更高，能够印制厚度为10μm以上的厚膜电路，实现0.6A以上的大电流应用。除宽度小于4mm的狭长区域外，其他各种尺寸、各种形状的曲面上都可以采用这一方法印制共形电路。
附图说明：
附图1是本发明对共形电路覆盖区域进行分区的流程图。
附图2是本发明实施例1中待加工工件表面共形电路示意图。
附图3是本发明实施例1中共形电路覆盖区域的分区示意图。
附图标记：1.共形电路；2.不可展开区域中的非球面；3.锥面；4.平面；5.柱面；6.不可展开区域中的球面；7.NESP1；8.NENQ2；81.NEF2；811.NESP2；812.NESP3；82.NESP4；9.NEQ1；91.NET1；92.NET2；93.NET3；101.ET2；102.ET3；103.ET1；1031.EP1；1032.NP1；104.ET4。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本利提供了一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，首先，建立如图2所示的工件几何模型，在工件几何模型表面绘制共形电路1，工件表面包含的几何特征有不可展开的非球面2、锥面3、平面4、柱面5、不可展开的球面6；
按照图1所示流程将共形电路覆盖区域分为如图3所示的分立区域；其中，电路宽度d＝5mm，电路精度2p＝±50μm，共形电路外轮廓线偏置距离w＝5mm，离网间距h＝1mm；具体步骤为：
步骤2：确定工件表面的共形电路覆盖区域：做整个共形电路的外轮廓线(即整个共形电路的最外缘界线)，将工件表面上共形电路外轮廓线上各点均沿该点的外法线方向偏移一个距离w，偏移后的各点围成的区域作为共形电路覆盖区域；
步骤3：整个共形电路覆盖区域的分区：计算共形电路覆盖区域中每一点的高斯曲率kg，形成若干个kg＝0的连续区域以及若干个kg≠0的连续区域；任意一个kg＝0的连续区域称为可展开区域，所有可展开区域的集合记为{Ei}，i＝1…m，m为可展开区域的总数；本实施例中，m＝4，{Ei}中各元素分别为图3中的103、101、102和104；任意一个kg≠0的连续区域，称为不可展开区域，所有不可展开区域的集合记为{NEi}，i＝1…n，n为不可展开区域的总数；本实施例中，n＝3，{NEi}中各元素分别为图3中的7、8和9；
步骤4：可展开区域的分区：对每一个可展开区域Ei，计算其中每个点的平均曲率ka，根据ka的取值对每个可展开区域进行第二次分区，形成若干个ka＝0的连续区域和若干个ka≠0的连续区域；任意一个ka＝0的连续区域称为平面可展开区域，所有平面可展开区域的集合记为{EPi}，i＝1…mp，mp为平面可展开区域的总数；本实施例中mp＝1，EP1即为图3中的1031；任意一个ka≠0的连续区域，称为非平面可展开区域，所有非平面可展开区域的集合记为{NPi}，i＝1…np，np为非平面可展开区域的总数；本实施例中np＝4，{NPi}，i＝1…4分别为图3中的1032、101、102和104；
步骤5：可展开区域中分立印制区域的确定具体为：确定每个非平面可展开区域的母线延伸方向；找出与EP1相邻的所有非平面可展开区域形成的集合记为{NP1i}，i＝1…np1，np1为与EP1相邻的所有非平面可展开区域的总数；{NP1i}中，母线延伸方向相同的元素构成{NP1i}的一个子集；所有这些子集中，元素总数最大的子集记为{NP1Mi}，i＝1…np1m，np1m为{NP1Mi}的元素总数；{NP1Mi}与EP1合并，形成一个大的连续区域，构成与EP1对应的第一分立印制区域；在{Ei}中除{NP1Mi}及EP1以外的所有元素中，找出与EP2相邻的所有非平面可展开区域形成的集合记为{NP2i}，i＝1…np2，np2为{NP2i}的元素总数；按所述方法，确定{NP2Mi}，并将其与EP2合并形成与EP2对应的第一分立印制区域；依此类推，分别确定与EPi，i＝3…mp对应的第一分立印制区域；若未找到与EPj对应的{NPjMi}，则EPj自身构成一个独立的分立印制区域；{NPi}中所有未合并到上述任一分立印制区域的元素构成一个新的集合记为{NPDi}，i＝1…npd，npd为{NPDi}的元素总数；{NPDi}中两相邻元素若在相连处的母线方向相同，则相互合并形成一个大的连续区域，构成一个分立印制区域；上述所有分立印制区域的集合记为{ETi}，i＝1…et，et为{ETi}的元素总数；本实施例中et＝4，{ETi}中各元素分别为图3中的103、101、102和104；
步骤6：不可展开区域中非球面的第一次分区：{NEi}中所有部分球面的集合记为{NEQi}，i＝1…neq，neq为{NEQi}的元素总数；本实施例中，neq＝1，NEQ1即为图3中的9；{NEQi}的补集即为不可展开区域中非球面的集合，记为{NENQi}，i＝1…nenq，nenq＝ne-neq；本实施例中，nenq＝2，NENQ1和NENQ2即分别为图3中的7和8；对NENQ1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向，作出该不可展开区域的所有素线；找出每条素线上所有的拐点和折点；把相邻素线上对应的拐点或折点连接起来；这些连线与该不可展开区域的边界线组合，把该不可展开区域分成若干个分立的连续区域，这些区域即构成NENQ1的分区区域，所有分区区域的集合记为{NENQ1i}，i＝1…nenq1，nenq1为{NENQ1i}的元素总数；若上述所有素线上均无拐点或折点，则{NENQ1i}＝NENQ1；本实施例中，nenq1＝1，NENQ11＝NENQ1即为图3中的7；按所述方法，对NENQ2，进行分区，形成与NENQ2对应的分区区域集合{NENQ2i}，i＝1…nenq2，nenq2为{NENQ2i}的元素总数；本实施例中，nenq2＝2，NENQ21和NENQ22分别为图3中的81和82；依此类推，分别确定与NENQj，j＝3…n对应的{NENQji}；所有{NENQji}的并集，即为{NENQi}的第一次分区区域集合，记为{NEFi}，i＝1…nef，nef为{NEFi}的元素总数；本实施例中，nef＝3，{NEFi}中各元素分别为图3中的7、81和82；
步骤7：不可展开区域中非球面的第二次分区：对NEF1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，作出该区域的所有素线；上述所有素线上均无拐点或折点，{NEF1i}＝NEF1即为图3中的7；对NEF2，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，作出该区域的所有素线；找出每条素线上所有的拐点和折点；把相邻素线上对应的拐点或折点连接起来；这些连线与该不可展开区域的边界线组合，把该不可展开区域分成若干个分立的连续区域，这些区域即构成NEF2的分区区域，所有NEF2的分区区域的集合记为{NEF2i}，i＝1…nef2，nef2为{NEF2i}的元素总数；本实施例中，nef2＝2，NEF21和NEF22分别为图3中的811和812；对NEF3，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，作出该区域的所有素线；上述所有素线上均无拐点或折点，{NEF3i}＝NEF3即为图3中的82；所有{NEFji}的并集，即为不可展开区域中非球面的第二次分区区域集合，记为{NESi}，i＝1…nes，nes为{NESi}的元素总数；本实施例中，nes＝4，{NESi}中各元素分别为图3中的7、811、812和82；
步骤8：不可展开区域中非球面第二次分区区域的分类：对NES1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，确定该区域NES1的母线及母线两端分别对应的导线，这两条导线的长度分别记为C1和C2；将这两条导线上的每一点沿NES1在该点的外法线方向偏置距离h，移动后对应各点构成的两条曲线的长度分别记为CM1和CM2；h为丝网印刷的离网间距，待印电路的线宽为d，所需达到的线宽精度为±2p，若CM1<d+2w且CM<d+2w，则NES1为不可印刷区域；若CM1≥d+2w且CM2≥d+2w，同时有(CM1-C1)/C1≤p/d及(CM2-C2)/C2≤p/d，则NES1为一个可印刷的分立区域；若NES1既不是不可印刷区域也不是可印刷的分立区域，则NES1为需要细分的区域；按所述方法，依次确定{NESi}中的所有元素为不可印刷区域、可印刷的分立区域或需要细分的区域；将{NESi}中所有可印刷的分立区域的集合记为{NESPi}，i＝1…nesp，nesp为{NESPi}的元素总数；将{NESi}中所有需要细分的区域的集合记为{NESSi}，i＝1…ness，ness为{NESSi}的元素总数；本实施例中{NESi}，i＝1…4均为可印刷区域，即nesp＝4，{NESPi}中各元素分别为图3中的7、811、812和82；
步骤9：球面的分区：对NEQ1，确定该区域中待印电路的主延展方向，做出与主延展方向相垂直的方向上球面的所有素线；上述所有素线上均无拐点，则NEQ1为一个独立的分立区域；所有分立区域的集合记为{NEQFi}，i＝1…neqf，neqf为{NEQFi}的元素总数；本实施例中，neqf＝1，NEQF1即为图3中的9；
步骤10：球面分区区域的分类：对NEQF1，确定与其素线相对应的母线及母线两端分别对应的导线，这两条导线的长度分别记为C1和C2；将这两条导线上的每一点沿NEQF1在该点的外法线方向偏置距离h，平移后构成的两条曲线的长度分别记为CM1和CM2；若CM1<d+2w且CM<d+2w，则NEQF1为不可印刷区域；若CM1≥d+2w且CM2≥d+2w，同时有(CM1-C1)/C1≤p/d及(CM2-C2)/C2≤p/d，则NEQF1为一个可印刷的分立区域；若NEQF1既不是不可印刷区域也不是可印刷的分立区域，则NEQF1为需要细分的区域；本实施例中，NEQF1为需要细分的区域；将{NEQFi}中所有需要细分的区域的集合记为{NEQFSi}，i＝1…neqfs，neqfs为{NEQFSi}的元素总数；本实施例中，neqfs＝1，NEQFS1即为图3中的9；
步骤11：需要细分区域的细分：将{NEQFSi}与{NESSi}的合集记为{NEXi}，i＝1…nex，nex为{NEXi}的元素总数；本实施例中，nex＝1，NEX1即为图3中的9；对NEX1，记t1为[(CM1-C1)/C1/(p/d)]的整数部分，记t2为[(CM2-C2)/C2/(p/d)]的整数部分，记t为t1、t2中的最大值，t＝2；将母线两端的导线分别分为等长的t+1＝3份线段；两导线相对应的第i份线段之间所张的区域即为NEX1的第i个细分区域；NEX1的所有细分区域的集合记为{NEX1Sj}，j＝1…t+1；按所述方法，依次确定{NEXi}中所有元素的细分区域集合{NEXiSj}；所有细分区域集合{NEXiSj}的并集记为{NETi}，i＝1…net，net为{NETi}的元素总数；本实施例中，net＝3，{NETi}中各元素即为图3中的91、92和93；
步骤12：可印刷分立区域的确定：{ETi}、{NESPi}、{NEQFPi}和{NETi}的合集记为{Pi}，i＝1…p，p＝et+nesp+neqfp+net；{Pi}中的任一个元素即为一个可印刷的分立区域；本实施例中，neqfp＝0，{NEQFPi}为空集；net＝3，{NETi}中各元素依次为图3中的103、101、102、104、7、811、812、82、91、92和93；
然后分别制作{Pi}中各个可印刷分立区域电路图形对应的丝网网板，丝网网板上的电路图形与工件表面绘制的共形电路图形等弧长对应，选用具有一定刚度的柔性胶条作为柔性网框，对{Pi}中的各个可印刷分立区域，将柔性网框的底端沿可印刷分立区域的母线两端的导线分别粘贴固定到工件表面。将对应的丝网背面粘贴固定在柔性网框顶端，使该可印刷分立区域的丝网网板上的各点均沿其素线方向均匀张紧。丝网选用250目聚酯丝网，线径48μm。全部柔性网框丝网网板固定后，将导电银浆依次印刷到工件表面作为共形电路，柔性网框丝网网板交界处使用套印连接电路；所有可印刷的分立区域印刷完毕后，依次将各分区的丝网网板及柔性网框从工件表面移除。电路印制完成后，将工件整体放入烧结炉中，进行150℃，30分钟的烧结。
本发明能够实现复杂三维结构工件表面共形电路制造，对复杂曲面进行分区，可在复杂三维形状工件外曲面、内曲面印制任意结构的曲面电路，与传统电路制造工艺兼容。柔性网框丝网网板采用常见的市售材料，电路印刷用材料可使用市售导电浆料，电路制作方法简单、成本低廉、适合量产、空间受到限制的条件下也能印。

Claims (9)

1.一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：绘制共形电路，并确定待加工三维工件表面的共形电路覆盖区域；
步骤2：对共形电路覆盖区域进行分区，具体为：
步骤2-1：确定可展开区域和不可展开区域，计算共形电路覆盖区域中每一点的高斯曲率kg，并判断kg是否为0，其中任意一个kg＝0的连续区域称为可展开区域，所有可展开区域的集合记为{Ei}，i＝1…m，m为可展开区域的总数；任意一个kg≠0的连续区域，称为不可展开区域，所有不可展开区域的集合记为{NEi}，i＝1…n，n为不可展开区域的总数；
步骤2-2：分别对可展开区域和不可展开区域进一步分区，其中对可展开区域进行平面可展开区域和非平面可展开区域的确定，对不可展开区域进行球面区域和非球面区域的确定；
步骤2-3：根据步骤2-2获得的分区数据集合获得可印刷的分立区域集合数据；
步骤3：制作柔性网框丝网网板，分别制作可印刷的分立区域电路图形对应的分区丝网网板，分区丝网网板上的电路图形与待加工工件表面绘制的共形电路图形等弧长对应；
步骤4：使用柔性网框丝网印刷制备共形电路，对于各个可印刷的分立区域，沿其母线两端的导线分别固定柔性网框的底端，将对应的丝网的背面固定在柔性网框顶端，使可印刷的分立区域的丝网网板上的各点均沿其素线方向均匀张紧；柔性网框丝网网板的交界处使用套印连接电路；所有可印刷的分立区域印刷完毕后，依次将印刷电路后的分区的丝网网板及柔性网框从工件表面移除。
2.根据权利要求1所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于所述对可展开区域进行平面可展开区域和非平面可展开区域的确定包括以下内容：
对每一个可展开区域Ei，计算其中每个点的平均曲率ka，根据ka的取值对每个可展开区域进行第二次分区，形成若干个ka＝0的连续区域和若干个ka≠0的连续区域；其中任意一个ka＝0的连续区域称为平面可展开区域，所有平面可展开区域的集合记为{EPi}，i＝1…mp，mp为平面可展开区域的总数；任意一个ka≠0的连续区域，称为非平面可展开区域，所有非平面可展开区域的集合记为{NPi}，i＝1…np，np为非平面可展开区域的总数。
3.根据权利要求1所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于步骤2-2中所述对不可展开区域进行球面区域和非球面区域的确定，通过计算不可展开区域中各个点的高斯曲率kg，依据各点kg是否为定值进行划分，其中kg为定值的连续的点划定为球面区域，kg不为定值的连续的点确定为非球面区域，其中不可展开区域的集合{NEi}中所有部分球面的集合记为{NEQi}，i＝1…neq，neq为{NEQi}的元素总数；{NEQi}的补集即为不可展开区域中非球面的集合，记为{NENQi}，i＝1…nenq，nenq＝ne-neq；然后对球面区域和非球面区域分别进行分区处理，其中对非球面区域的分区处理包括：
步骤2-2-1-1：不可展开区域中非球面的第一次分区，对NENQ1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向，作出该不可展开区域的所有素线；找出每条素线上所有的拐点和折点；把相邻素线上对应的拐点或折点连接起来；这些连线与该不可展开区域的边界线组合，把该不可展开区域分成若干个分立的连续区域，这些区域即构成NENQ1的分区区域，所有分区区域的集合记为{NENQ1i}，i＝1…nenq1，nenq1为{NENQ1i}的元素总数；若上述所有素线上均无拐点或折点，则{NENQ1i}＝NENQ1；按所述方法，对NENQ2，进行分区，形成与NENQ2对应的分区区域集合{NENQ2i}，i＝1…nenq2，nenq2为{NENQ2i}的元素总数；依此类推，分别确定与NENQj，j＝3…n对应的{NENQji}；所有{NENQji}的并集，即为{NENQi}的第一次分区区域集合，记为{NEFi}，i＝1…nef，nef为{NEFi}的元素总数；
步骤2-2-1-2：不可展开区域中非球面区域的第二次分区：对NEF1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，作出该区域的所有素线；找出每条素线上所有的拐点和折点；把相邻素线上对应的拐点或折点连接起来；这些连线与该不可展开区域的边界线组合，把该不可展开区域分成若干个分立的连续区域，这些区域即构成NEF1的分区区域，所有NEF1的分区区域的集合记为{NEF1i}，i＝1…nef1，nef1为{NEF1i}的元素总数；若上述所有素线上均无拐点或折点，则{NEF1i}＝NEF1；按所述方法，对NEF2进行分区，形成与NEF2对应的分区区域集合{NEF2i}，i＝1…nef2，nef2为{NEF2i}的元素总数；依此类推，分别确定与NEFj，j＝3…nef对应的{NEFji}；所有{NEFji}的并集，即为不可展开区域中非球面的第二次分区区域集合，记为{NESi}，i＝1…nes，nes为{NESi}的元素总数；
步骤2-2-1-3：不可展开区域中非球面区域第二次分区区域的分类：对NES1，计算其中每一点的最小曲率kmin，作出kmin的等值线；沿kmin的等值线延伸方向的垂直方向，确定该区域NES1的母线及母线两端分别对应的导线，这两条导线的长度分别记为C1和C2；将这两条导线上的每一点沿NES1在该点的外法线方向偏置距离h，移动后对应各点构成的两条曲线的长度分别记为CM1和CM2；h为丝网印刷的离网间距，待印电路的线宽为d，所需达到的线宽精度为±2p，若CM1<d+2w且CM<d+2w，则NES1为不可印刷区域；若CM1≥d+2w且CM2≥d+2w，同时有(CM1-C1)/C1≤p/d及(CM2-C2)/C2≤p/d，则NES1为一个可印刷的分立区域；若NES1既不是不可印刷区域也不是可印刷的分立区域，则NES1为需要细分的区域；依次确定{NESi}中的所有元素为不可印刷区域、可印刷的分立区域或需要细分的区域；将{NESi}中所有可印刷的分立区域的集合记为{NESPi}，i＝1…nesp，nesp为{NESPi}的元素总数；将{NESi}中所有需要细分的区域的集合记为{NESSi}，i＝1…ness，ness为{NESSi}的元素总数；
其中对球面区域的分区处理包括：
步骤2-2-2-1：球面的分区：对NEQ1，确定该区域中待印电路的主延展方向，做出与主延展方向相垂直的方向上球面的所有素线；若所有素线上均无拐点，则NEQ1为一个独立的分立区域；若素线上有拐点，则找出每条素线上的拐点；把相邻素线上的对应拐点连接起来，拐点连线将NEQ1分成两个分立的区域，分别记为NEQ11和NEQ12；按所述方法，对NEQi，i＝2…neq进行操作，将NEQi确定为一个独立的分立区域，或者分为两个分立的区域NEQi1和NEQi2；将所有分立区域的集合记为{NEQFi}，i＝1…neqf，neqf为{NEQFi}的元素总数；
步骤2-2-2-2：球面分区区域的分类：对NEQF1，确定与其素线相对应的母线及母线两端分别对应的导线，这两条导线的长度分别记为C1和C2；将这两条导线上的每一点沿NEQF1在该点的外法线方向偏置距离h，平移后构成的两条曲线的长度分别记为CM1和CM2；若CM1<d+2w且CM<d+2w，则NEQF1为不可印刷区域；若CM1≥d+2w且CM2≥d+2w，同时有(CM1-C1)/C1≤p/d及(CM2-C2)/C2≤p/d，则NEQF1为一个可印刷的分立区域；若NEQF1既不是不可印刷区域也不是可印刷的分立区域，则NEQF1为需要细分的区域；依次确定{NEQFi}中的所有元素为不可印刷区域、可印刷的分立区域或需要细分的区域；将{NEQFi}中所有可印刷的分立区域的集合记为{NEQFPi}，i＝1…neqfp，neqfp为{NEQFPi}的元素总数；将{NEQFi}中所有需要细分的区域的集合记为{NEQFSi}，i＝1…neqfs，neqfs为{NEQFSi}的元素总数。
4.根据权利要求3所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于步骤2-2中还包括对不可展开区域中需要细分区域的进一步分区处理，具体为：将{NEQFSi}与{NESSi}的合集记为{NEXi}，i＝1…nex，nex为{NEXi}的元素总数；对NEX1，记t1为[(CM1-C1)/C1/(p/d)]的整数部分，记t2为[(CM2-C2)/C2/(p/d)]的整数部分，记t为t1、t2中的最大值，将母线两端的导线分别分为等长的t+1份线段；两导线相对应的第i份线段之间所张的区域即为NEX1的第i个细分区域；NEX1的所有细分区域的集合记为{NEX1Sj}，j＝1…t+1；依次确定{NEXi}中所有元素的细分区域集合{NEXiSj}；所有细分区域集合{NEXiSj}的并集记为{NETi}，i＝1…net，net为{NETi}的元素总数。
5.根据权利要求4所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于步骤2-3中可印刷的分立区域集合数据的确定步骤2-3中可印刷的分立区域集合的确定包括可展开区域中分立印刷区域的确定以及不可展开区域中分立印刷区域的确定，其中可展开区域中分立印制区域的确定具体为：确定每个非平面可展开区域的母线延伸方向；找出与EP1相邻的所有非平面可展开区域形成的集合记为{NP1i}，i＝1…np1，np1为与EP1相邻的所有非平面可展开区域的总数；{NP1i}中，母线延伸方向相同的元素构成{NP1i}的一个子集；所有这些子集中，元素总数最大的子集记为{NP1Mi}，i＝1…np1m，np1m为{NP1Mi}的元素总数；{NP1Mi}与EP1合并，形成一个大的连续区域，构成与EP1对应的第一分立印制区域；在{Ei}中除{NP1Mi}及EP1以外的所有元素中，找出与EP2相邻的所有非平面可展开区域形成的集合记为{NP2i}，i＝1…np2，np2为{NP2i}的元素总数；依此类推，确定{NP2Mi}，并将其与EP2合并形成与EP2对应的第一分立印制区域；分别确定与EPi，i＝3…mp对应的第一分立印制区域；若未找到与EPj对应的{NPjMi}，则EPj自身构成一个独立的分立印制区域；{NPi}中所有未合并到上述任一分立印制区域的元素构成一个新的集合记为{NPDi}，i＝1…npd，npd为{NPDi}的元素总数；{NPDi}中两相邻元素若在相连处的母线方向相同，则相互合并形成一个大的连续区域，构成一个分立印制区域；所有分立印制区域的集合记为{ETi}，i＝1…et，et为{ETi}的元素总数；
最终获得可印刷的分立区域集合数据为：{ETi}、{NESPi}、{NEQFPi}和{NETi}的合集记为{Pi}，i＝1…p，p＝et+nesp+neqfp+net；{Pi}中的任一个元素即为一个可印刷的分立区域。
6.根据权利要求1所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于步骤1中待加工三维工件表面的共形电路覆盖区域的确定具体为：在计算机上使用三维建模软件构建需要印制电路的工件几何模型，并在工件几何模型表面绘制共形电路图形，做整个共形电路的外轮廓线，将工件表面上共形电路外轮廓线上各点均沿该点的外法线方向偏移一个距离w，偏移后的各点围成的区域作为共形电路覆盖区域，距离w为丝网网框与待印电路外轮廓线间的最小间距，w≥1mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于步骤3所述柔性网框与对应的分区丝网网板的电路图形最外缘平行，所述柔性网框靠近电路图形一侧与所述共形电路最外缘距离1mm以上；柔性网框宽度1mm～2mm；所述柔性网框采用塑料、高硬度合成橡胶、多节金属铰链网框，所述柔性网框需能承受丝网6N/cm～30N/cm的张网力。
8.根据权利要求1所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于步骤4中丝网网板通过柔性网框固定于工件表面上方并张紧时，将丝网网板直接粘贴于柔性网框顶端，柔性网框底端直接粘贴于工件表面；使用夹具或手工张紧方法保持丝网张紧；所述共形电路采用导电浆料进行柔性网框丝网印刷。
9.根据权利要求1所述的一种基于曲面分区的丝网印刷三维表面共形电路制造方法，其特征在于丝网印刷的离网间距h≤5mm。
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