CN113843498B - 一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法 - Google Patents

一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，包括：首先获取传感器待贴合曲面形貌数据并建立传感器贴合曲面STL模型；导入三维建模软件，并将传感器待贴合曲面与夹具座组合，建立含贴合曲面的夹具STL模型；并进行快速成型技术加工，获取含贴合曲面夹具；在含贴合曲面夹具的3D曲面待加工区域涂覆待加工材料并安装到激光设备加工平台上定位；基于传感器贴合曲面STL模型，建立加工图案STL或dwg模型；并导入激光设备，开启激光设备，运行三维动态聚焦系统；重复循环加工步骤，完成传感器柔性基底层和柔性功能材料层的加工；将传感器从3D曲面剥离，进行后续工艺；本发明中实现真正意义上的3D曲面保形加工，提高了加工精度、效率以及对任意3D曲面的适用性。

Description

一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法
技术领域
本发明属于柔性传感器制造技术，尤其涉及一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法。
背景技术
各种制造技术，例如MEMS、反应离子蚀刻、化学气相沉积、纳米压印、软光刻等工艺方法已被广泛应用于2D平面基底上的柔性传感器制造。由于制造技术的特殊性，这些工艺无法直接用于3D曲面上柔性传感器件的保形制造。然而，随着柔性电子的快速发展，人们对于柔性可弯曲变形的传感器的需求越来越大。近些年，科研人员利用各种柔性可拉伸纳米材料及其复合材料进行了柔性传感器件的制造方法探索，使其具备较大的拉伸性能，可将2D平面传感器直接贴附到3D曲面上，但因曲率不同而无法实现完美贴合，进而限制了柔性传感器的实际应用。
为了将传感器尽可能完全贴合于3D曲面上，科研人员大多数采用转印印刷技术，具体采用拓扑方法和共形映射理论对3D曲面图案进行曲率分析，将3D图案拆分为多个2D图案。然后在2D平面上对各个拆分图案分别进行制造，再将其拼接到3D曲面上，实现3D贴合。这种工艺方法繁琐且耗时，并且一些3D图案无法拆分成2D图案，在3D曲面的适应性方面存在技术局限性。同时，将2D平面拼接成3D曲面的工艺过程容易造成传感器精度下降。由此可见，现有制造工艺在加工效率、加工精度以及3D曲面适应性等方面均有待提升。
发明内容
针对上述问题，本发明提供柔性传感器的3D曲面保形激光制造工艺，新型3D曲面上纳米材料及其复合材料的原位激光保形加工制造工艺，通过激光三维动态聚焦系统在3D传感器待贴合曲面上直接进行激光加工，完成3D曲面上柔性功能材料与微纳功能结构的保形制造，最终实现在3D曲面上保形制造具有特定传感功能的柔性传感器件，从而极好地适形于传感器待贴合的曲面。
为实现上述一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，本发明采用以下步骤：
S1：用三维扫描仪对传感器待贴合曲面进行扫描，获取传感器待贴合曲面形貌数据并建立传感器贴合曲面STL模型；
S2：将所述步骤S1的传感器贴合曲面STL模型导入三维建模软件，并将传感器待贴合曲面与夹具座组合，建立含贴合曲面的夹具STL模型；
S3：将所述步骤S2的含贴合曲面的夹具STL模型进行快速成型技术加工，获取含贴合曲面夹具；
S4：在所述步骤S3含贴合曲面夹具的3D曲面待加工区域涂覆待加工材料；
S5：将所述步骤S4涂覆待加工材料的含贴合曲面夹具安装到激光设备加工平台上定位；
S6：基于所述步骤S1的传感器贴合曲面STL模型，用三维建模软件或CAD软件建立激光待加工图案模型，建立加工图案STL或dwg模型；
S7：将所述步骤S6的加工图案STL或dwg模型导入激光设备，并设置参数；
S8：开启激光设备，运行三维动态聚焦系统；
S9：根据传感器件的结构设计，重复循环步骤S4～S8，完成传感器柔性基底层和柔性功能材料层的加工；
S10：传感器柔性基低层和柔性功能材料层加工完成后，将传感器从3D曲面剥离，进行后续工艺。其中，所述三维建模软件使用Pro/E、Soildworks、3DMax或UG进行建模，将3D曲面放置于夹具座上方，并使3D曲面待加工区域朝上，建立连接结构使3D曲面与夹具座合成一体。
其中，所述快速成型技术加工为3D打印技术、3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结技术、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术等。
其中，所述涂覆待加工材料为纳米材料及其复合材料，作为传感器的基底层和功能材料层；所述待加工材料涂覆到3D曲面上，材料固化后的形状曲率与3D曲面一致，实现传感器件结构保形；
进一步的，所述功能材料层的层数大于1，实际层数与传感器结构设计相关；
进一步的，所述纳米材料为碳基材料、量子点材料、MXene、钙钛矿材料、富勒烯、MOF、金属纳米材料等；所述复合材料为高分子聚合物，如：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅橡胶(Ecoflex)、聚碳酸酯(PC)等；所述涂覆工艺为浸涂法、刷涂法、浸涂法等。
其中，所述含贴合曲面夹具有定位标识点。
其中，所述加工图案STL模型可以是三维面图案三维立体图案，加工图案曲率与3D曲面一致，实现激光加工图案保形。
其中，所述激光设备由激光器、振镜、扩束镜等零件组成；
进一步的，所述振镜为三维动态聚焦振镜；
进一步的，所述正焦状态是根据被加工物体表面到聚焦镜的距离，改变聚焦镜的焦距，从而控制焦点全部落在被加工物体表面，实现不同路径下的正焦加工。
与现有可变形柔性传感器的曲面保形加工工艺相比，本发明的优点和效益在于：
1、本发明提供的柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，首先获取3D待加工曲面形貌数据并建立3D曲面STL模型；导入三维建模软件，并将3D曲面与夹具座组合，建立夹具STL模型；将夹具STL模型进行快速成型技术加工，获得含贴合曲面的夹具；在夹具的3D曲面待加工区域涂覆待加工材料；将涂覆待加工材料的夹具安装到激光设备加工平台上定位；基于3D曲面STL模型，用三维建模软件建立激光待加工图案模型，建立加工图案STL模型并导入激光设备，设置参数；开启激光设备，运行三维动态聚焦系统；根据传感器件的结构设计，重复循环加工步骤，完成传感器柔性基底层和柔性功能材料层的加工；传感器柔性基低层和柔性功能材料层加工完成后，将传感器从3D曲面剥离，进行后续工艺；本发明通过激光三维动态聚焦系统在3D传感器待贴合曲面上直接进行激光加工，实现真正意义上的3D曲面传感器保形制造，从而能够极好地适形于传感器待贴合的曲面，并非在2D平面加工后再进行3D曲面拼接成型工艺，大大提高了加工效率；而且本发明提供的工艺不需要二次拼接图案或者转印的工艺步骤，大大提高了加工精度。
2、本发明通过逆向工程采用三维建模软件首先对曲面进行建模，可以实现任意复杂曲面的建模，不受曲面曲率的限制，大大提高了制造工艺适用性。
附图说明
图1是本发明一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法的工艺流程图；
图2是3D曲面与夹具座组合的结构图；
图3是夹具3D曲面上保形加工传感器结构的爆炸图；
图4是激光保形加工三维面图案模型；
图5是激光保形加工三维立体图案模型。
具体实施方式
下面结合附图1、图2、图3、图4、图5及实施例，对本发明做进一步详细说明，具体步骤包括：
不少传感器在监测数据时，需要很好到贴合到待监测区域，但当待监测区域为3D曲面时，传感器并不能很好地进行贴合，本发明就是提供一种加工工艺，能够使加工的柔性传感器极好的贴合到待贴合的3D曲面，且不受曲面曲率的限制，而且并非在2D平面加工后再进行3D曲面拼接成型工艺。
步骤一：用三维扫描仪对传感器待贴合曲面进行扫描，获取传感器待贴合曲面形貌数据并建立传感器贴合曲面STL模型。
步骤二：将所述步骤一的传感器贴合曲面STL模型导入三维建模软件，并将传感器待贴合曲面与夹具座组合，建立含贴合曲面的夹具STL模型，如图2所示；
三维建模软件使用Pro/E、Soildworks、3DMax或UG进行建模，将3D传感器待贴合曲面曲面放置于夹具座上方，并使3D传感器待贴合曲面曲面待加工区域朝上，建立连接结构使3D传感器待贴合曲面曲面与夹具座合成一体。
步骤三：将所述步骤二的含贴合曲面的夹具STL模型进行快速成型技术加工，获取含贴合曲面夹具；
步骤快速成型技术加工为3D打印技术、3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结技术、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术等，但不限于上述加工技术；
步骤四：在所述步骤三含贴合曲面夹具的3D曲面待加工区域涂覆待加工材料；
涂覆待加工材料为纳米材料及其复合材料，作为传感器的基底层和功能材料层；所述待加工材料涂覆到3D曲面上，材料固化后的形状曲率与3D曲面一致，实现传感器件结构保形，如图3所示；
功能材料层的层数大于1，实际层数与传感器结构设计相关；
纳米材料为碳基材料、量子点材料、MXene、钙钛矿材料、富勒烯、MOF、金属纳米材料等；所述复合材料为高分子聚合物，如：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、硅橡胶(Ecoflex)、聚碳酸酯(PC)等，但不限于上述材料；所述涂覆工艺为浸涂法、刷涂法、浸涂法等，但不限于上述涂覆工艺。
步骤五：将所述步骤四涂覆待加工材料的含贴合曲面夹具安装到激光设备加工平台上定位，保证夹具在X、Y和Z方向的定位精度；
含贴合曲面的夹具有定位标识点，如图2所示。
步骤六：基于所述步骤一的传感器贴合曲面STL模型，用三维建模软件或CAD软件建立激光待加工图案模型，建立加工图案STL或dwg模型，同时根据激光加工图案模型计算出模型与激光的焦距H；
加工图案STL模型可以是三维面图案或三维立体图案，如图4和图5所示。加工图案曲率与3D传感器待贴合曲面一致，实现激光加工图案保形。
步骤七：将所述步骤六的加工图案STL或dwg模型导入激光设备，并设置焦距H、激光功率、频率、速度、扫描路径、精度等加工参数；
激光设备由激光器、振镜、扩束镜等零件组成；
激光器为波长1064nm的红外光纤激光器，但不限于红外光纤激光器；所述激光功率为20W，所述激光频率范围在100kHz-1000kHz，但不限于该性能参数；
振镜为三维动态聚焦振镜；
正焦状态是根据被加工物体表面到聚焦镜的距离，改变聚焦镜的焦距，从而控制焦点全部落在被加工物体表面，实现不同路径下的正焦加工。
步骤八：开启激光设备，运行三维动态聚焦系统不断改变焦点距离，保证所加工路径都处于正焦状态；
步骤九：根据传感器件的结构设计，需重复循环步骤四到八过程，先后完成柔性基底层和柔性功能材料层加工。
步骤十：传感器柔性基底层和功能材料层加工完成后，将传感器从3D曲面剥离，进行后续工艺。
在3D曲面保形激光制造时，实际曲面与激光系统中加工模型一致，保证了传感器在3D曲面的原位贴合状态。
本发明提供的柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，首先获取3D待加工曲面形貌数据并建立3D曲面STL模型；导入三维建模软件，并将3D曲面与夹具座组合，建立夹具STL模型；将夹具STL模型进行快速成型技术加工，获得含贴合曲面的夹具；在夹具的3D曲面待加工区域涂覆待加工材料；将涂覆待加工材料的夹具安装到激光设备加工平台上定位；基于3D曲面STL模型，用三维建模软件建立激光待加工图案模型，建立加工图案STL模型并导入激光设备，设置参数；开启激光设备，运行三维动态聚焦系统；根据传感器件的结构设计，重复循环加工步骤，完成传感器柔性基底层和柔性功能材料层的加工；传感器柔性基低层和柔性功能材料层加工完成后，将传感器从3D曲面剥离，进行后续工艺；本发明通过激光三维动态聚焦系统在3D传感器待贴合曲面上直接进行激光加工，实现真正意义上的3D曲面传感器保形制造，从而能够极好地适形于传感器待贴合的曲面，并非在2D平面加工后再进行3D曲面拼接成型工艺，大大提高了加工效率；而且本发明提供的工艺不需要二次拼接图案或者转印的工艺步骤，大大提高了加工精度；
本发明通过逆向工程采用三维建模软件首先对曲面进行建模，可以实现任意复杂曲面的建模，不受曲面曲率的限制，大大提高了制造工艺适用性。
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于，加工步骤如下：
S1：用三维扫描仪对传感器待贴合曲面进行扫描，获取传感器待贴合曲面形貌数据并建立传感器贴合曲面STL模型；
S2：将所述步骤S1的传感器贴合曲面STL模型导入三维建模软件，并将传感器待贴合曲面与夹具座组合，建立含贴合曲面的夹具STL模型；
S3：将所述步骤S2的含贴合曲面的夹具STL模型进行快速成型技术加工，获取含贴合曲面夹具；
S4：在所述步骤S3含贴合曲面夹具的3D曲面待加工区域涂覆待加工材料；
S5：将所述步骤S4涂覆待加工材料的含贴合曲面夹具安装到激光设备加工平台上定位；
S6：基于所述步骤S1的传感器贴合曲面STL模型，用三维建模软件或CAD软件建立激光待加工图案模型，建立加工图案STL或dwg模型；
S7：将所述步骤S6的加工图案STL或dwg模型导入激光设备，并设置参数；
S8：开启激光设备，运行三维动态聚焦系统；
S9：根据传感器件的结构设计，重复循环步骤S4～S8，完成传感器柔性基底层和柔性功能材料层的加工；
S10：传感器柔性基低层和柔性功能材料层加工完成后，将传感器从3D曲面剥离，进行后续工艺。
2.根据权利要求1所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于，所述步骤S2将传感器待贴合曲面与夹具座组合，建立含贴合曲面的夹具STL模型，具体为：
将3D曲面放置于夹具座上方，并使3D曲面待加工区域朝上，建立连接结构使得3D曲面与夹具座合成一体。
3.根据权利要求1所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于：所述步骤S3中快速成型技术加工包括但不限于3D打印技术、3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结技术、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术。
4.根据权利要求1所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于，所述步骤S4中涂覆待加工材料为纳米材料及其复合材料，作为传感器的柔性基底层和柔性功能材料层，涂覆工艺包括但不限于浸涂法、刷涂法、浸涂法。
5.根据权利要求4所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于：所述功能材料层的层数大于1。
6.根据权利要求4所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于：所述纳米材料包括但不限于碳基材料、量子点材料、MXene、钙钛矿材料、富勒烯、MOF、金属纳米材料，所述复合材料为高分子聚合物，包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、硅橡胶、聚碳酸酯。
7.根据权利要求1所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于：所述步骤S5中含贴合曲面夹具有定位标识点。
8.根据权利要求1所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于：所述步骤S6中加工图案STL或dwg模型为三维面图案或三维立体图案，加工图案曲率与3D曲面一致，实现激光加工图案保形。
9.根据权利要求1所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于：所述步骤S7中的激光设备包含激光器、三维动态聚焦振镜、扩束镜。
10.根据权利要求9所述的一种柔性传感器三维曲面的激光保形制造方法，其特征在于：所述激光设备的正焦状态是根据被加工物体表面到聚焦镜的距离，改变聚焦镜的焦距，从而控制焦点全部落在被加工物体表面，实现不同路径下的正焦加工。
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