CN114589918B - 一种多打印头的多轴加工设备 - Google Patents

Abstract

一种多打印头的多轴加工设备，包括加工台和设置于加工台上的支架，所述加工台上设有三轴调节机构，支架上形成有多个与三轴调节机构相对应的打印工位，打印工位上设有相连接的打印机构和升降控制器；所述支架上还设有视觉观测与对位机构和高度测量及跟随系统，视觉观测与对位机构和高度测量及跟随系统均位于打印工位一侧；与现有技术相比，通过多个平行排布的打印机构的设置，可通过在各个打印机构内填充不同的材料，实现在同时打印的过程中，实现多轴及多种材料的同时打印，从而显著提高打印效率，在打印过程中，各个打印机构只进行升降操作，防止各个打印机构之间的干涉，通过底部的三轴调节机构带动打印件的移动，从而满足打印需求。

Description

一种多打印头的多轴加工设备

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种多打印头的多轴加工设备。

背景技术

半导体领域常规工艺如封装、单层及多层线路、芯片、散热器等制作，通常采用刻蚀+电镀、喷墨或气溶胶喷射的增材，纳米银导电墨水及绝缘墨水协同、点胶分配技术、薄膜技术、厚膜技术及有机层压板技术、光刻+显影+化学/电镀、气相沉积或丝网印刷等方法；显示领域LED间距隔断、封装等采用溶胶喷射、丝网印刷等方法。

在现有技术中，存在线宽大、精度差的问题，只能做到平面印刷，无法适用于成型复杂立体结构、多线型、线型较小的场景，且效率较低，产品合格率偏低，工艺复杂，设备成本高，材料浪费大污染严重，因材料粘附性不好导致易脱落，且无法修复导致整块产品报废。

中国专利号CN201911212910.5，公开了一种亚微米精度的多针头直写式3D打印机，包括料筒、纳米级定位精度的三轴平台、点胶机和打印平台，所述料筒前端设有打印针头，所述点胶机通过气管与料筒相连，其特征在于，所述纳米级定位精度的三轴平台包括X轴位移台、Y轴位移台和Z轴位移台，X轴位移台和Y轴位移台用于调整打印平台的位置，所述料筒安装在Z轴位移台上，可以随Z轴上下移动；在Z轴位移台的料筒上方设有跟踪亚微米级打印针头出丝和打印过程的成像系统。

上述公开的这种3D打印机虽然也采用多轴调节的方式，和采用物镜和相机的方式对针头的位置进行识别和调整，但所采用的两个针头为同步运行，且不能对同一物品进行同时打印，难以实现对同一物品打印的加快。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种多轴同时打印，可用于复杂立体结构的多打印头的多轴加工设备。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种多打印头的多轴加工设备，包括加工台和设置于加工台上的支架，所述加工台上设有三轴调节机构，支架上形成有多个与三轴调节机构相对应的打印工位，打印工位上设有相连接的打印机构和升降控制器；所述支架上还设有视觉观测与对位机构和高度测量及跟随系统，视觉观测与对位机构和高度测量及跟随系统均位于打印工位一侧；所述打印机构包括相连接的流体控制系统和打印头，且打印机构上设有与打印头相对应的打印实时观测系统，打印实时观测系统与打印头同步移动；所述加工台上设有清洗及预打印系统，支架上设有固化装置，三轴调节机构上安装有吸附机构。

作为本发明的一种优选方案，所述支架上形成有3个依次排布的打印机构，且3个打印机构均竖直设置，3个打印机构内填充有相同或不同材料。

作为本发明的一种优选方案，所述升降控制器连接于支架上，打印机构连接于升降控制器上，且相邻打印工位上的升降控制器平行排布。

作为本发明的一种优选方案，所述三轴调节机构和多个打印工位上均配置有光栅尺。

作为本发明的一种优选方案，所述视觉观测与对位机构包括变倍镜筒、相机和观测Z轴滑台，观测Z轴滑台连接于支架上，变倍镜筒升降式设置于观测Z轴滑台上，相机设置于变倍镜筒顶部，且相机位于变倍镜筒的光学路径上。

作为本发明的一种优选方案，所述高度测量及跟随系统包括相连接的激光传感器和高度Z轴滑台，高度Z轴滑台连接于支架上，激光传感器升降式设置于高度Z轴滑台上。

作为本发明的一种优选方案，所述打印实时观测系统包括倾斜镜筒、三轴滑台和配套夹具，配套夹具套接于打印机构上，且配套夹具与支架相连，三轴滑台连接于配套夹具上，倾斜镜筒连接于三轴滑台上，且倾斜镜筒朝向打印头设置。

作为本发明的一种优选方案，所述清洗及预打印系统包括依次排布的标定区域、预打印区域、清洗区和废料收集区，且清洗及预打印系统下方设有角位调节机构和升降调节机构。

作为本发明的一种优选方案，所述固化装置位于三轴调节机构的移动路径上，且固化装置包括相对应的固化激光光源和固化UV光源。

作为本发明的一种优选方案，所述吸附机构表面配置有吸盘，吸盘上形成有微孔或V型槽。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过多个平行排布的打印机构的设置，可通过在各个打印机构内填充不同的材料，实现在同时打印的过程中，实现多轴及多种材料的同时打印，从而显著提高打印效率；

2、在打印过程中，各个打印机构只进行升降操作，防止各个打印机构之间的干涉，通过底部的三轴调节机构带动打印件的移动，从而满足打印需求；

3、多个打印机构的设置，可用于复杂立体结构的设置，且适用于多线型较小的场景；

4、通过表面高度测量与自动跟随系统装置，包括传感器和传感器控制器，用于测量样品的空间坐标与和样品竖直方向打印补偿，利用高清工业相机、镜筒装置实现打印过程实时观测与视觉对位，有效保证了打印精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是多轴运动系统的结构示意图；

图3是吸附机构的结构示意图；

图4是视觉观测与对位系统的结构示意图；

图5是高度测量与自动跟随系统的结构示意图；

图6是打印观测机构的结构示意图；

图7是打印机构的结构示意图；

图8是清洗及预打印系统的结构示意图；

图9是固化装置的结构示意图；

图10是三打印头的结构示意图；

附图标记：三轴调节机构1，打印工位1-1，升降控制器1-2，吸附机构2，视觉观测与对位机构3，变倍镜筒3-1，相机3-2，观测Z轴滑台3-3，高度测量及跟随系统4，激光传感器4-1，高度Z轴滑台4-2，打印实时观测系统5，倾斜镜筒5-1，三轴滑台5-2，配套夹具5-3，打印机构6，打印头6-1，打印夹具6-2，流体控制系统6-3，清洗及预打印系统7，标定区域7-1，预打印区域7-2，清洗区7-3，废料收集区7-4，角位调节机构7-5，升降调节机构7-6，固化装置8，固化激光光源8-1，固化UV光源8-2，加工台9，支架9-1，真空调压阀10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

如图1-10所示，一种多打印头的多轴加工设备，包括加工台9和设置于加工台9上的支架9-1，所述加工台9上设有三轴调节机构1，支架9-1上形成有多个与三轴调节机构1相对应的打印工位1-1，打印工位1-1上设有相连接的打印机构6和升降控制器1-2；所述支架9-1上还设有视觉观测与对位机构3和高度测量及跟随系统4，视觉观测与对位机构3和高度测量及跟随系统4均位于打印工位1-1一侧；所述打印机构6包括相连接的流体控制系统6-3和打印头6-1，且打印机构6上设有与打印头6-1相对应的打印实时观测系统5，打印实时观测系统5与打印头6-1同步移动；所述加工台9上设有清洗及预打印系统7，支架9-1上设有固化装置8，三轴调节机构1上安装有吸附机构2。

支架1上的打印工位1-1数量根据实际需要进行设置，优选的，支架9-1上形成有3个依次排布的打印机构6，且3个打印机构6均竖直设置，3个打印机构6内填充有相同或不同材料，升降控制器1-2连接于支架9-1上，打印机构6连接于升降控制器1-2上，且相邻打印工位1-1上的升降控制器1-2平行排布，三轴调节机构1和多个打印工位1-1上均配置有光栅尺。

3个打印机构分别安装于3个打印工位1-1上，通过3个升降控制器1-2分别对3个打印机构竖直方向进行控制，调整打印头6-1与样品面之间距离，从而达到控制打印样品材料的厚度。

在平行排布的三个升降控制器1-2和打印机构6的作用下，由于打印机构6在使用过程中只进行升降操作，使得3个打印机构6在工作过程中互不干涉，彼此之间具有更好的稳定性和可靠性。

三轴调节机构1包括设置于加工台9上的X轴移动组件，X轴移动组件上设有Y轴移动组件，Y轴移动组件与X轴移动组件垂直设置，且Y轴移动组件与X轴移动组件均为电机和丝杆的结构，通过组合形成丝杆滑块结构带动基板在X轴和Y轴上进行移动，而Z轴移动组件设置于Y轴移动组件上，且Z轴移动组件位于基板下方，Z轴移动组件也可为丝杆滑块结构，在电机的作用下实现基板的升降，从而在X轴移动组件、Y轴移动组件和Z轴移动组件的作用下组成对基板的三轴调节机构1。

升降控制器1-2为电机丝杆机构，升降控制器1-2竖直设置，且所有的打印机构6均位于三轴调节机构1的移动范围内。

光栅尺为高分辨率光栅尺，且光栅尺与计算机连接用于控制打印样品移动和打印接收距离，Y轴移动组件与X轴移动组件分别带动基板做水平和竖直方向移动，生成打印路径，Z轴移动组件控制基上下方向移动，用于补偿基竖直方向偏差，多个打印机构6在升降控制器1-2的作用下上下方向移动，用于控制打印线宽和厚度。

视觉观测与对位机构3包括变倍镜筒3-1、相机3-2和观测Z轴滑台3-3，观测Z轴滑台3-3连接于支架9-1上，变倍镜筒3-1升降式设置于观测Z轴滑台3-3上，相机3-2设置于变倍镜筒3-1顶部，且相机3-2位于变倍镜筒3-1的光学路径上。

视觉观测与对位机构3配备变倍镜筒3-1并垂直安装，可根据样品mark点大小切换倍率，并配有观测Z轴滑台3-3，通过观测Z轴滑台3-3改变变倍镜筒3-1的焦距，同时与高像素相机3-2相连，连接到系统中，用于样品mark点位置识别。

高度测量及跟随系统4包括相连接的激光传感器4-1和高度Z轴滑台4-2，高度Z轴滑台4-2连接于支架9-1上，激光传感器4-1升降式设置于高度Z轴滑台4-2上。

配备精度为0.2微米的激光传感器4-1，同时配有高度Z轴滑台4-2，用于调节激光传感器4-1位置，激光传感器4-1用于样品打印区域扫描并记录数值，与高度Z轴滑台4-2配合进行补偿样品竖直方向偏差，同时可测量材料打印厚度。

打印实时观测系统5包括倾斜镜筒5-1、三轴滑台5-2和配套夹具5-3，配套夹具5-3套接于打印机构6上，且配套夹具5-3与支架9-1相连，三轴滑台5-2连接于配套夹具5-3上，倾斜镜筒5-1连接于三轴滑台5-2上，且倾斜镜筒5-1朝向打印头6-1设置。

倾斜镜筒5-1配备可手动调节XYZ三轴的三轴滑台5-2，调节倾斜镜筒5-1与打印部分中心对齐，打印头6-1部分进行显微放大，并与高像素相机相连，连接到系统中，用于打印过程中及时观测打印效果及状态，配套夹具5-3用于对倾斜镜筒5-1进行支撑和定位。

在多打印头5-2式结构中，相邻打印头5-2之间预留足够的空间，确保三轴滑台5-2调节限制极限行程后，仍然不会与相邻打印头5-2干涉。

在加工台9上配备手动真空调压阀10和真空电子数显表，样品通过真空吸附后，调节真空调压阀10压力，真空电子数显表通过IO口连接至控制器系统中，如果打印过程中出现小于或大于设定真空压力时，触发信号，所有打印轴均停止工作，然后通过人工控制设备软件，将所有轴复位，从而防止样品与打印头5-2之间的碰撞，达到保护样品及打印轴的作用。

打印机构6包括打印头6-1、打印夹具6-2和流体控制系统6-3，其中打印头6-1处可安装玻璃针、陶瓷针、钢针等类型针头，并可安装外径范围较广的微孔针头，方便拆卸及更换，打印针头配置高精度流体控制系统6-3，用于向打印头6-1提供预定的气压，控制打印材料的输出，气压参数可以根据材料的粘度特性设定，使得材料能稳定输出。

打印机构6配备打印夹具6-2，打印夹具6-2通用范围较广，可适配多种类型的打印头6-1及流体控制系统6-3，方便拆卸及更换。

流体控制系统6-3在稳压器的作用下用于向微孔打印头6-1提供预定的气压，控制打印材料的输出，稳压器可为相连接的气压发生器和压力检测器，压力检测器设置于微孔打印头6-1的进料筒内，气压发生器用于对微孔打印头6-1的进料筒供压，压力检测器用于确保微孔打印头6-1的进料仓内的气压稳定，便于对气压发生器进行实时调节。

清洗及预打印系统7包括依次排布的标定区域7-1、预打印区域7-2、清洗区7-3和废料收集区7-4，且清洗及预打印系统7下方设有角位调节机构7-5和升降调节机构7-6。

清洗区7-3可灌入酒精或乙酸或乙酯液体，用于打印一段时间后清洗，或者停滞打印时打印部分浸泡，防止针头部分材料固化，同时配备废料收集区7-4，避免打印中废料对设备污染。标定区域7-1用于打印头起始位置的标定。预打印区域7-2放置较小尺寸样品板，用于打印样品前提前打印，判断打印特性及效果。清洗液体、标定和预打印样品均方便拆卸并更换，且配备角位调节机构和升降调节机构，保证安装后与打印头垂直，可适用多种厚度的预打印产品。

升降调节机构7-5为十字交叉导轨Z轴水平升降位移滑台，采用高强度铝合金，经喷砂黑色阳极氧化，然后装配高精度十字交叉滚柱导轨，适合轻较重载荷，频繁调整，是一款性能优良的直动平台，角位调节机构7-6可采用OMO-VM系列圆柱型V型调整架，具有2个M6x0.25细牙促进器，可实现±3°的精密调节，细牙促进器设计有挠性锁紧机构，用以提供长期可靠性。

固化装置8位于三轴调节机构1的移动路径上，且固化装置8包括相对应的固化激光光源8-1和固化UV光源8-2。

样品打印完成后通过多轴移动平台移置固化光源处，触发光源启动，对材料进行加热固化，固化激光光源8-1可以根据材料特性选择激光、UV灯、红外光源等，同时可以进行时间和能量设定，固化结束后，样品离开固化光源处，固化光源瞬间关闭，最终形成具有特定性能的稳定介质层。

吸附机构2表面配置有吸盘，吸盘上形成有微孔或V型槽，样品放置在吸盘上，通过真空吸附原理，保证样品固定牢固及加工面吸附平整，吸盘可配置陶瓷吸盘、铝制吸盘、大理石吸盘等，吸盘结构有微孔、V型槽等，吸盘也可进行分区吸附，适配多种尺寸的样品。

在具体使用过程中，样品采用真空吸附原理吸附在吸附机构2表面，通过视觉观测与对位机构3，确定原始位置，通过配备高分辨率光栅尺的三轴调节机构1和打印机构6，与计算机连接，控制打印样品移动形成打印路径和打印接收距离；打印机构6配备微孔针头，通过高精度流体控制系统6-3，向打印头6-1提供预定的气压，控制打印材料的输出，同时可多轴和多种材料同时打印，打印完成后将样品移动至固化装置8处进行固化处理；设备配有清洗区7-3、预打印区域7-2、标定区域7-1，用于打印针头清洗及位置标定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

尽管本文较多地使用了图中附图标记：三轴调节机构1，打印工位1-1，升降控制器1-2，吸附机构2，视觉观测与对位机构3，变倍镜筒3-1，相机3-2，观测Z轴滑台3-3，高度测量及跟随系统4，激光传感器4-1，高度Z轴滑台4-2，打印实时观测系统5，倾斜镜筒5-1，三轴滑台5-2，配套夹具5-3，打印机构6，打印头6-1，打印夹具6-2，流体控制系统6-3，清洗及预打印系统7，标定区域7-1，预打印区域7-2，清洗区7-3，废料收集区7-4，角位调节机构7-5，升降调节机构7-6，固化装置8，固化激光光源8-1，固化UV光源8-2，加工台9，支架9-1等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种多打印头的多轴加工设备，包括加工台（9）和设置于加工台（9）上的支架（9-1），其特征在于，所述加工台（9）上设有三轴调节机构（1），支架（9-1）上形成有多个与三轴调节机构（1）相对应的打印工位（1-1），打印工位（1-1）上设有相连接的打印机构（6）和升降控制器（1-2）；所述支架（9-1）上还设有视觉观测与对位机构（3）和高度测量及跟随系统（4），所述视觉观测与对位机构（3）控制打印样品移动形成打印路径和打印接收距离，视觉观测与对位机构（3）和高度测量及跟随系统（4）均位于打印工位（1-1）一侧，视觉观测与对位机构（3）用于样品mark点位置识别；所述打印机构（6）包括相连接的流体控制系统（6-3）和打印头（6-1），且打印机构（6）上设有与打印头（6-1）相对应的打印实时观测系统（5），打印实时观测系统（5）与打印头（6-1）同步移动；所述加工台（9）上设有清洗及预打印系统（7），支架（9-1）上设有固化装置（8），三轴调节机构（1）上安装有吸附机构（2）；所述支架（9-1）上形成有3个依次排布的打印机构（6），且3个打印机构（6）均竖直设置，3个打印机构（6）内填充有相同或不同材料；所述视觉观测与对位机构（3）包括变倍镜筒（3-1）、相机（3-2）和观测Z轴滑台（3-3），视觉观测与对位机构（3）配备变倍镜筒（3-1）并垂直安装，通过观测Z轴滑台（3-3）改变变倍镜筒（3-1）的焦距，同时与高像素相机（3-2）相连，连接到系统中，用于样品mark点位置识别；所述高度测量及跟随系统（4）包括相连接的激光传感器（4-1）和高度Z轴滑台（4-2），高度Z轴滑台（4-2）连接于支架（9-1）上，激光传感器（4-1）升降式设置于高度Z轴滑台（4-2）上，激光传感器（4-1）用于样品打印区域扫描并记录数值，与高度Z轴滑台（4-2）配合进行补偿样品竖直方向偏差。

2.根据权利要求1所述的一种多打印头的多轴加工设备，其特征在于，所述升降控制器（1-2）连接于支架（9-1）上，打印机构（6）连接于升降控制器（1-2）上，且相邻打印工位（1-1）上的升降控制器（1-2）平行排布。

3.根据权利要求2所述的一种多打印头的多轴加工设备，其特征在于，所述三轴调节机构（1）和多个打印工位（1-1）上均配置有光栅尺。

4.根据权利要求1所述的一种多打印头的多轴加工设备，其特征在于，所述观测Z轴滑台（3-3）连接于支架（9-1）上，变倍镜筒（3-1）升降式设置于观测Z轴滑台（3-3）上，相机（3-2）设置于变倍镜筒（3-1）顶部，且相机（3-2）位于变倍镜筒（3-1）的光学路径上。

5.根据权利要求1所述的一种多打印头的多轴加工设备，其特征在于，所述打印实时观测系统（5）包括倾斜镜筒（5-1）、三轴滑台（5-2）和配套夹具（5-3），配套夹具（5-3）套接于打印机构（6）上，且配套夹具（5-3）与支架（9-1）相连，三轴滑台（5-2）连接于配套夹具（5-3）上，倾斜镜筒（5-1）连接于三轴滑台（5-2）上，且倾斜镜筒（5-1）朝向打印头（6-1）设置。

6.根据权利要求1所述的一种多打印头的多轴加工设备，其特征在于，所述清洗及预打印系统（7）包括依次排布的标定区域（7-1）、预打印区域（7-2）、清洗区（7-3）和废料收集区（7-4），且清洗及预打印系统（7）下方设有角位调节机构（7-5）和升降调节机构（7-6）。

7.根据权利要求1所述的一种多打印头的多轴加工设备，其特征在于，所述固化装置（8）位于三轴调节机构（1）的移动路径上，且固化装置（8）包括相对应的固化激光光源（8-1）和固化UV光源（8-2）。

8.根据权利要求1所述的一种多打印头的多轴加工设备，其特征在于，所述吸附机构（2）表面配置有吸盘，吸盘上形成有微孔或V型槽。