CN117087330A - 高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备及方法，包括支撑架，支撑架内设置有Y运动轴组，Y运动轴组上设置有沿Y轴平移运动的支撑结构，支撑结构上支撑有绕Y轴旋转运动的B转动模块，B转动模块上设置有绕Z轴旋转运动的C转动模块，C转动模块上设置有工作台，支撑架的顶部设置有X运动轴组，X运动轴组一端连接有沿X轴平移运动的Z运动轴组，Z运动轴组的底端对应工作台设置有沿Z轴平移运动的随形喷印模块和视觉模块，随形喷印模块和视觉模块共同电连接有上位机。本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备及方法，解决了高精密复杂曲面电路的难加工以及喷印精度和效果差的技术问题。

Description

高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备及方法

技术领域

本发明属于电流体动力喷印技术领域，具体涉及一种高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备。本发明还涉及一种高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印方法。

背景技术

曲面随形电子技术是当今最具颠覆式和最有前景的新兴信息技术之一，涉及新材料和微纳米制造技术，在航空航天、智能传感和新能源等领域有着广泛的应用。三维曲面电子产品是微电子行业的一种趋势，将电路能够直接成型于产品结构表面，不仅可实现结构功能一体化，还可以使电子产品更加微型化、智能化、轻量化。曲面随形电子不仅具有与复杂曲面随形共存的独特能力，还保留着平面集成电路技术的电子功能，使电子器件能够更广泛应用于复杂多变的场景，对于健康监测、环境感知、频选表面等功能集成具有非常重要的意义，例如飞行器智能感知蒙皮、隐身电磁功能结构、曲面共形天线等。现阶段，曲面电子的制造技术大致可以分为两种模式：一是直接制造，将功能导电材料、器件或部件直接制造到曲面上；二是间接制造，通过柔性基片间接地将平面电子器件转移到曲面基底上或将平面电子器件置于外界的刺激下，在热、光、磁等的作用下使器件发生弯曲变形。转移印刷凭借其在大面积特征尺寸和低成本方面的优势而得到了广泛的应用，但仍存在工艺过程繁琐、材料浪费率太大及可控性差等缺点。尤其对于不可拉伸系统，间接转印技术难以在复杂硬曲面上通过几何变换的形式实现完全共形覆盖，自组装工艺无法将不可展结构(如球形或不规则的形状)变形成目标曲面形状。重要的是，现有的曲面电子产品主要是在2.5维度下完成柔性制造，并不能解决与复杂的弯曲表面相关的基本问题，即平面柔性电子无法通过几何变换(转印、移印及组装)与复杂曲面(尤其是曲率变化的不可展曲面)完全贴合，致使曲面电子的机械性能和电气性能很难满足使用需求。另外，当贴合在曲面上的平面电路的弯曲程度或弯曲次数达到一定值时，超薄的电子结构会在强烈的弯曲或拉伸条件下极易发生界面分层断裂、信号收集难、信号收集不稳定等缺陷现象。因此，如何实现电路在复杂硬曲面上的稳定共形，避免褶皱、屈曲等问题是曲面电子制造的关键。综上，无论选择哪种模式，大量高品质的曲面电子导电线路制备无疑是曲面随形电子制造的重要环节。

针对曲面电路随形直接打印，并没有成熟的制备工艺，目前能实现的直接打印技术主要包括3D打印、激光直写、气溶胶喷射、喷墨打印及微笔直写等。国内外一些大学和科研院所（如麻省理工、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等）都在利用传统的3D打印方式进行硬曲面电路研究，主要有两种模式：一是通过增材制造三维空间立体结构，曲面可以包含其中，但仅能在空间范围内制备简单立体或曲面结构，不能完成曲面功能电子器件的共形和图案化制造，不能制备出复杂的、高品质、满足应用需求的电路；二是通过3D直写技术将导电材料直接喷印在承印物表面，该工艺仅适用于曲率较小的平缓曲面区域，但无法满足复杂曲面的随形打印，因为在印刷过程中，传统的三轴运动系统无法将曲面上的被打印面旋转至水平状态，不能让喷头始终平行于被打印面的法线方向，并实时地垂直于待加工曲面，这导致了挤出物料偏移打印轨迹，落在曲率变化的曲面上时会发生形变、外流、炸裂等现象；激光直写常通过对曲面基板材料进行改性来完成曲面电路的制造，该工艺对基底材料有要求，应用范围窄且不利于环保；中国科学院利用具有加热能力的功能笔，直接在曲面上写出了各种图案和电路，但该工艺分辨率不高且须在短时间内完成电路制造，难以满足任意曲面打印的需求。喷墨打印工艺较为灵活，无须模板和掩膜，可以将功能油墨直接喷印在基底的表面上，而且基底和喷嘴之间也不会产生任何的物理接触，适合大面积曲面电子的高效率制造。传统喷墨打印技术主要采用静电连续式、压电式和热气泡式喷墨，存在着喷印打印分辨率低（≥20 μm）、液滴尺寸受限于喷嘴直径（墨滴直径≈喷嘴直径×2）、喷嘴容易堵塞及喷嘴制造工艺复杂；美国Optomec公司把气溶胶喷印工艺运用到了曲面电路共形喷印过程中，气溶胶喷射虽然能够直接产生定向准直的气雾束，但该工艺只能进行连续式打印，雾化过程溶剂挥发快且会产生大量的卫星液滴，会严重影响油墨的成膜效果和附着力，且该工艺不能解决传统喷印所遇到的精准定位、喷印线宽过宽、同时需要气路电路造成的实验条件要求苛刻等缺点。

电流体喷印是一种新型的喷印方式。与传统喷印采用“挤”方式不同，电流体动力喷印采用电场驱动以“拉”方式从所形成的“泰勒锥”锥顶端产生极细的射流，具有颗粒或聚合物溶液易于喷出而不发生堵塞，可打印高粘度(≤10000mPa.s)导电液体等优势，其打印分辨率不受喷嘴直径的直接影响，可实现亚微米分辨率(>0.3μm)打印，可用于曲面电子电路、太阳能电池及生物功能器件等领域。所以，以电流体动力喷印工艺取代传统喷墨打印技术进行曲面电子制备研究被越来越多的人广泛接受和应用。虽然对于电流体喷印工艺在曲面上的应用已有相应的研究，并且表现出了较好的打印质量，但现有的电流体共形喷印无法适应大曲率基板，曲面电场会对电流体喷印射流产生干扰，进而影响打印质量。具体地，当喷头在对不同曲率的曲面打印时，射流的方向不是垂直向下，而是被侧向的电场“拉”过去，由此对打印产生了两个问题：(1)由于射流被侧向电场“拉”过去了，导致射流的落点和喷嘴实际运动轨迹不一致，影响了打印的定位精度；(2)喷嘴和基板之间法向距离会减小，而喷嘴和基板之间电压是固定的，意味着极间场强会增大，从而导致电流体喷印射流出现紊乱。为此，目前的较成熟的电流体动力学喷印设备出于保证电场稳定的原因，限制了喷印方向同基板保持垂直以及喷嘴和基板高度不变的条件，只能利用三轴运动系统在平面基材上完成喷印作业，具体包括在如硅、玻璃等硬质平面基板以及柔性平面介质上完成喷印。另外，当曲面基材的形状变化复杂时，在印刷过程中曲面基材的曲率、局部法线方向和基材距喷头高度的实时变化也都会影响所施加的电场的均匀性，依靠现有喷印方法不能形成稳定电场，满足不了曲面电路随形打印的均匀性和稳定性要求。再者，使用导电材料作为基底进行电流体喷墨打印时，喷印液滴所带电荷会被基底传导消除，但是在绝缘材料基底上喷印时，由于绝缘材料电导率低，沉积液滴所带电荷无法通过基底消除，造成基底电荷积累，容易使绝缘基底在强电场作用下发生极化现象。如果产生的极化电荷无法被传导消除，将导致电荷积累的问题更加严重，积累的电荷会对空间电场产生进一步的干扰，从而影响后续沉积液滴的形态和射流轨迹。所以，以上问题都严重限制了电流体喷印工艺在高精密曲面电路随形打印方面的应用，现在可以完成曲面电路随形喷印的电流体动力喷印设备又非常少。仅有的可以随形喷印曲面电路设备或方法所针对的也只能是简单曲面，如曲率比较小的球面或椭球面，但针对复杂曲面如任意曲面、曲率半径变化较大的曲面或含有正余弦函数的参数曲面则仍无法完成随形喷印过程。综上，虽然已有相关技术可以完成部分曲面电路的打印，但真正能在具有复杂形状的任意表面(尤其是大曲率凹面)上实现电路的直接打印仍然是世界级难题。因此，鉴于曲面功能电子器件对随形喷印的迫切需求，设计一种用于解决上述问题的高精密复杂硬曲面电流体动力随形喷印系统具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，解决了现有高精密复杂曲面电路的难加工以及喷印精度差的问题。

本发明的另一目的在于提供一种高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，包括支撑架，支撑架内设置有Y运动轴组，Y运动轴组上设置有沿Y轴平移运动的支撑结构，支撑结构上支撑有绕Y轴旋转运动的B转动模块，B转动模块上设置有绕Z轴旋转运动的C转动模块，C转动模块上设置有工作台，支撑架的顶部设置有X运动轴组，X运动轴组一端连接有沿X轴平移运动的Z运动轴组，Z运动轴组的底端对应工作台设置有沿Z轴平移运动的随形喷印模块和视觉模块，随形喷印模块和视觉模块共同电连接有上位机。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

随形喷印模块包括墨盒，墨盒上通过管道连通有与上位机电连接的流量泵，墨盒下方通过导管固定连通有底端朝下的喷嘴，喷嘴下方同轴间隔设置有电极环，电极环和喷嘴外壁上均依次电连接有与上位机电连接的函数发生器和接地的交流电源。

视觉模块包括位于墨盒两侧且均与上位机电连接的定位相机和观测相机，定位相机垂直于待喷印曲面基材，观测相机对准于喷嘴。

Y运动轴组一端沿Y轴设置有与上位机电连接的Y轴驱动电机，Y轴驱动电机上设置有与上位机电连接的光栅尺，Y轴驱动电机输出端通过联轴器同轴连接有穿过支撑结构并与其螺纹配合的丝杠。

B转动模块一端沿Y轴固定连接有与上位机电连接的B轴驱动电机，B轴驱动电机上设置有均与上位机电连接的光栅尺、重力传感器及姿态传感器。

C转动模块下方沿Z轴固定连接有位于B转动模块上且与上位机电连接的C轴驱动电机，C轴驱动电机上设置有均与上位机电连接的光栅尺、重力传感器及姿态传感器。

X运动轴组一侧沿X轴设置有与上位机电连接的X轴驱动电机，X轴驱动电机上设置有与上位机电连接的光栅尺，X轴驱动电机输出端通过联轴器同轴连接有穿过Z运动轴组并与其螺纹配合的丝杠。

Z运动轴组顶部沿Z轴设置有与上位机电连接的Z轴驱动电机，Z轴驱动电机上设置有与上位机电连接的光栅尺，Z轴驱动电机输出端通过联轴器同轴连接有穿过固定随形喷印模块和视觉模块的基板并与其螺纹配合的丝杠。

本发明所采用的第二种技术方案是：高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印方法，包括以下步骤：

步骤1、建立待喷印曲面基材的三维模型，将所需喷印的电路和相应的工艺状态要求导入三维模型中，并根据电子元器件选型对曲面空间进行布局与放置规划，然后将待喷印曲面基材放置在工作台上；

步骤2、将平面电路直接三维随形映射至三维模型的待喷印曲面上，并对映射后的曲面电路进行CAM路径工艺规划；具体为：将映射后的曲面电路分解为多条线段并为每条线段设置喷印轨迹顺序，将每条线段离散为多个离散点，结合待喷印曲面基材在工作台上所处的位置，获取每个离散点的五自由度的运动轨迹位置和工艺状态要求；

步骤3、将离散点的运动轨迹位置和工艺状态要求解析为上位机的指令，上位机结合喷印轨迹顺序依次喷印，从而完成所需喷印的电路在待喷印曲面基材表面的随形喷印。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

步骤2中的运动轨迹位置包括X轴、Y轴和Z轴以及绕Y轴、Z轴旋转的旋转坐标；工艺状态要求包括函数发生器施加的电压和流量泵控制喷嘴的流量。

本发明的有益效果是：本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备及方法，通过设置平移运动三轴平台与双轴旋转相结合的五自由度运动平台，同时墨液、电极环和待喷印曲面基材间电场的设置形成电势差梯度，从而保证曲面喷印电场的稳定性。由此解决了高精密复杂曲面电路的难加工以及喷印精度和效果差的技术问题。

附图说明

图1是本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备主视图；

图2是本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备左视图；

图3是本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备的五自由度运动关系示意图；

图4是本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备中随形喷印模块的结构示意图；

图5是本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印方法所构建的待喷印汽车曲面电路示意图；

图6是本发明的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印方法所构建的待喷印复杂人脸曲面电路示意图。

图中，1.Z运动轴组，2.X运动轴组，3.随形喷印模块，4.联轴器，5.X轴驱动电机，6.视觉模块，7.喷嘴，8.观测相机，9.C轴驱动电机，10.支撑架，11.待喷印曲面基材，12.电极环，13.定位相机，14.丝杠，15.Z轴驱动电机，16.墨盒，17.工作台，18.C转动模块，19.转动模块，20.B转动模块，21.Y运动轴组，22.Y轴驱动电机，23.B轴驱动电机，24.运动模块，25.沿Z轴方向直线移动，26.沿X轴方向直线移动，27.C向旋转运动，28.B向旋转运动，29.沿Y轴方向直线移动，30.上位机，31.函数发生器，32.交流电源，33.泰勒锥。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明提供了一种高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，如图1至图4所示，包括五轴联动机械结构、随形喷印模块3、视觉模块6、上位机控制系统。

1)五轴联动机械结构

图1和图2中，X轴驱动电机5、Y轴驱动电机22、Z向驱动电机5、Z轴驱动电机15接收上位机30指令，X轴驱动电机5经联轴器4通过传动丝杠14和导轨组成的X运动轴组2以及Y运动轴组21、Z运动轴组1用于实现待喷印曲面基材11的X、Y、Z三个方向的水平自由运动。其中支撑架10内随形喷印模块3在X、Z方向作直线运动，工作台17在Y向作直线运动，工作台17上有高精度且牢固地机械夹具用以固定待喷印曲面基材11和与Y运动轴组21高强度连接；二维转台倾斜动作B轴驱动电机23接收上位机30指令，驱动台面绕Y轴作旋转运动；位于二维转台倾斜动作台面的回转动作C轴驱动电机9接收上位机30指令，驱动回转动作台面绕Z轴作旋转运动。这三个直线运动和两个旋转运动实现了五轴联动的运动功能，可以进行任意复杂曲面电路随形直接喷印。为了更好地适应和完成复杂曲面电流体随形喷印的要求，C转动模块18和B转动模块20组成的转动模块19绕Y、Z方向除了设置光栅尺传感器控制限位，用于限制所述B、C轴Y、Z轴方向旋转的过度运动，消除复杂曲面电路随形喷印过程中随形喷印模块3或其他部件与待喷印曲面基材11发生的干涉情况。还考虑到待喷印曲面基材11自身的重量较大时，为了平衡重力减轻电机驱动的压力，B轴驱动电机23和C轴驱动电机9增加了重力传感器。同时为了保证旋转运动状态的控制更为准确，B轴驱动电机23和C轴驱动电机9增加了姿态传感器，用以对其姿态进行实时监测，并将监测信号反馈至上位机30，形成更为稳定的闭环控制。电机外壳在材料上具有屏蔽功能，以保证内部运动电信号对外部喷印电场没有影响，工作台17接地以保证待喷印曲面基材11为零电势。

运动关系见图3所示，被喷实体即待喷印曲面基材11安装在二维旋转台即工作台17上，二维旋转台的第一个转动部分可以绕Y轴旋转运动(B向旋转)，同时第二个转动部分安装在第一个转动部分的台面上，第二个转动部分可以绕垂直于第一个转动部分平面的法线方向作旋转运动(C向旋转)；二维旋转台同时安装在作Y向左右平移运动的支撑结构上，随支撑结构作沿Y轴方向直线移动29的左右平移运动；随形喷印模块3安装在可以作X向和Z向平移运动的基板上，可以同时作沿X轴方向直线移动26和沿Z轴方向直线移动25的平移运动。通过被喷印实体和喷嘴7的相对运动，实现了X、Y、Z三个平移运动和B向旋转运动28、C向旋转运动27两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构可使喷嘴7可以到达待喷印曲面基材11上任意曲面位置，并保持合理的打印距离，实现三维立体打印的基本运动需求。每个运动轴上安装有光栅尺，上位机30通过光栅尺反馈的位置实现对运动轴的闭环控制，使五轴运动平台可以实现喷嘴在曲面基材上的垂直打印，避免曲面电场的影响。

2)随形喷印模块

随形喷印模块3包括喷头部分和电气信号供给部分。喷头部分设于Z运动轴组1下方随Z运动轴组1运动，包括墨盒16、设于墨盒16下方的喷嘴7以及设置于喷嘴下方的辅助电极环12。电气信号供给部分包括函数发生器31、交流电源32和流量泵。墨盒中的墨水在流量泵驱动下由导管供给给喷嘴7，函数发生器31用于向喷嘴7中墨液和电极环12提供所需的交变电压，产生方波、正弦波和三角波等各种波形，电压信号通过函数发生器31扩大1000倍加载到喷嘴7和基材之间，达到电喷印需求的高压范围，不同波形的电信号可以使喷嘴7产生不同形态的电流体喷印射流。工作台17接地使得待喷印曲面基材11电势为零，墨液中被施加的电压高于电极环12中施加电压，从而使得墨液、电极环12和待喷印曲面基材11上形成梯度电势差，由此保证待喷印曲面基材11姿态变化过程中电场的稳定性，液体从泰勒锥33锥尖被精准喷射到待喷印曲面基材11上。并且电极环12与喷嘴7共轴，用于减小电极环12与衬底间的电压，进而减少基材极化对喷印效果的影响；电极环12还用于聚焦射流，达到抑制卫星液滴的效果。

本发明随形喷印模块3中喷嘴7为细长管结构，通过流量泵连接墨盒注入墨液的同时提供驱动力；喷嘴7的直径比通用喷墨打印机的喷嘴直径稍大，这样可以保证加工速度不会降低很多；喷墨方式采用按需喷墨和连续喷墨两种模式；每次利用一个喷嘴在被打印实体表面需要喷射电路，这时该喷嘴会采用气动缸或其它机械结构保证比其它几个喷嘴伸出更多距离，从而保证喷嘴不与被打印实体表面产生干涉，可以给各种形状准确打印电路，尤其是比较深的凹陷部分也可以做到准确喷射；单独的喷嘴可以根据具体需求实现同料喷嘴成组方式，以提高打印速度，前提是必须保证喷嘴组的尺寸满足被打印实体表面最狭窄的形状需求。墨盒16用于储存待喷印的墨液，函数发生器31通过喷嘴7侧壁为导电墨液施加高交变电压，在辅助电极环12上施加低电压，再结合待喷印曲面基材11上的零电势，即形成了对电机模块无影响，不随待喷印曲面基材11姿态运动而改变的稳定曲面电场，为喷嘴7处的导电墨液提供电场力。

3)视觉模块

视觉模块6主要用于喷头喷射的过程中进行待喷印曲面基材11的基准对齐和实时可视化监测。定位相机13用于曲面基板和喷嘴7之间的实时精准定位，喷印开始时首先在特殊位置打印出特殊标志(一般为十字线，也可以为其它形状)，同时采用独立的高分辨率摄像头对标志进行图像采集，并根据图像识别技术，分解出在X、Y、Z、B、C五个自由度上的偏差，根据偏差控制五个运动轴进行纠偏，纠偏完成后直接进行曲面电路喷印。

打印过程中，观测相机8用于实时观测喷印过程中电喷印射流的泰勒锥33，通过全过程射流形态的监测可实时观测喷嘴7尾部的液体状态，能够对喷印工艺参数进行及时调整，从而喷印出所需要的高质量、高精度曲面电路。

4)上位机控制系统

高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备的上位机控制系统是整个设备的核心，有了上述的五轴联动机械结构和随形喷印模块3，上位机控制系统需要把五轴联动运动控制和喷印控制紧密结合起来，同时充分利用软件优势实现从三维立体曲面造型到实体运动轨迹规划的功能，才能实现完整的立体喷印功能。因此上位机控制系统不仅要满足各种实时运动控制和同步喷印控制的需求，还必须具有强大的运动轨迹规划功能，能同时满足这些功能的控制系统需要既有很强的实时控制能力，还需要具备同步控制能力，同时还必须具备很强的三维造型处理、计算机辅助设计和辅助加工(CAD/CAM)处理等能力。由于目前主要的三维造型软件、CAD/CAM软件都是运行在多任务处理操作系统软件平台上的，而适用于本设备的控制系统还必须具有强大的实时控制功能，即必须有强实时操作系统作为软件平台基础，因此单一的通用操作系统软件平台无法满足本控制系统的需求。

本发明的上位机30采用多通用PC并行处理结构的控制系统，采用多个PC分别完成不同的任务，核心结构是两台PC配合通用I/O板卡，PC之间通过实时数据链路实现实时数据交互，完成并行控制的任务；第一台PC运行于通用多任务处理操作系统软件平台，主要完成三维处理、运动轨迹规划、计算机辅助设计和辅助加工处理、人机交互及网络通讯等功能；第二台PC运行于通用强实时操作系统软件平台，在这台PC上通过配置不同的多种计算机通用总线多功能板卡、运动控制板卡、总线通讯板卡加其它控制器来实现不同的实时运动控制、打印控制和其它辅助控制功能，主要实现实时运动控制与实时喷印控制，以及二者之间的同步控制，还有在线信息处理等工作。这种结构既充分发挥了通用多任务处理操作系统软件平台上丰富的三维处理、计算机辅助设计和辅助加工处理、人机交互及网络通讯等强大功能，又同步地保证了具备强实时控制能力。在核心结构的基础上，可以扩展成配备更多的通用PC或服务器都通过实时或非实时数据链路来完成协同工作。

上位机30包括三轴运动控制部分、双轴转动控制部分、以及电气信号控制部分，均以控制卡和软件形式高度集成。既用于控制运动模块24协同运动，以实现在复杂曲面上按要求喷印电路；也用于控制函数发生器31和流量泵为随形喷印模块3提供电信号和流量，通过控制所提供的电信号和流量，结合运动模块24的控制可以实现对喷印过程的实时按需控制。

实施例2

本发明还提供了一种高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印方法，图5和图6是按照本发明所构建的待喷印物表面示意图，具体包括如下步骤：

1、将待喷印曲面基材11装夹在工作台17上；

2、将待喷印曲面基材11的三维模型导入到三维软件中，根据已选择的电子元器件对曲面空间进行布局与放置规划；

3、将平面功能电路的PCB布线图导入到三维软件中，根据曲面空间规划将其随形映射至三维曲面基材的表面上；

4、将映射后的曲面电路进行CAM路径工艺规划，依照喷印顺序将曲面电路共形喷印的运动轨迹位置信息数据进行保存，运动轨迹位置信息包括喷印点的空间坐标值以及为了保证喷印法向与待喷印曲面基材11表面垂直的旋转坐标值；接下来利用控制系统中的CAM软件和后处理模块生成五轴联动加工轨迹代码程序；

5、将上述所生成的加工代码数据通过软件进行集成，同时发往上位机30进行解析；

6、上位机30依照解析数据内容按要求控制X运动轴组2、Y运动轴21、Z运动轴1、转动模块19协同运动，同时根据需要控制函数发生器31和精密流量泵的开关、大小以实现实时控制。具体地，利用上位机30运动控制软件根据五轴运动轨迹代码文件进行插补运算、刀具补偿、加减速控制等算法，输出对X、Y、Z、B、C五个轴的控制指令，分别驱动连接于X、Y、Z、B、C五个轴的驱动电机进行运动，待喷印曲面基材11安装在二维旋转台上，二维旋转台的第一个转动部分可以绕Y轴旋转运动(B向旋转)，同时第二个转动部分安装在第一个转动部分的台面上，第二个转动部分可以绕垂直于第一个转动部分平面的法线方向作旋转运动(C向旋转)；二维转台同时安装在Y向平移运动的支撑结构上，随支撑结构作沿Y向的前后平移运动；喷头部分安装在可以作X向和Z向平移运动的支架上，可以同时作X向和Z向的平移运动。通过待喷印曲面基材11和喷嘴7的相对运动，实现了X、Y、Z三个平移运动和B、C两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构，进一步使喷头喷嘴可以到达被打印实体上任意曲面位置，并保持合理的打印距离，实现三维立体打印的基本运动需求；同时，并行工作的随形喷印模块3根据曲面基材立体电路加工数据文件，与五轴运动同步控制的喷嘴7进行喷墨打印工作。

实施例3

本发明针对具有复杂形状的硬质物体表面，突破了传统电子电路技术对曲面图案限制的瓶颈，完成了电路制造由平面向立体的提升，实现了在任意曲面直接随形打印复杂电路；其次利用流量泵驱动墨盒16中墨液，用于防止毛细效应引起的墨水“爬针”现象，实现了打印全过程功能材料的定量、稳定供给；曲面电场会对电流体喷印射流产生干扰，因此在喷头喷嘴7正下方集成了电极环12，解决因曲面基板与喷头不等距，在此状态下直接向喷头和喷印平台加电压所造成的电场不均匀等问题，形成稳定电场以能够提升共形喷印过程中的稳定性、均匀度和准确度；建立了一套打印过程实时监测系统，可实现对打印全过程射流形态的监测，通过实时观测喷嘴7尾部的液体状态，能够对打印工艺参数进行及时调整，从而打印出所需要的高质量、高精度曲面电路。具体为：

1)本发明可有效解决当前印刷电子领域无法在复杂产品结构表面上直接制造高精密电路的技术难题，可实现任意复杂曲面随形电路的自动化、精密化、环保化和高效率直接制造，无需其他额外的转移、形变等辅助工艺。

2)本发明能够在任意复杂形状的产品表面直接随形制造曲面电路，突破了传统的打印工艺存在印刷条件和分辨率的限制，具有工艺简单、分辨率高、效率高、可靠性高及成本低的优势。

3)本发明实现周期短、打印精度高、没有形状限制，具有微型化、轻量化、智能化以及个性化特点，突破了电子电路制造技术从平面到立体转变的技术瓶颈，能满足任意曲面随形电路直接制造的灵活性需求。

4)本发明通过采用函数发生器31为导电墨液施加高电压，在电极环12上施加低电压，工作台17接地使待喷印曲面基材11上的电势为零，由此形成了对电机模块无影响，不随待喷印曲面基材姿态运动而改变的稳定电场，从而使得喷嘴7处的导电墨液平稳喷出、连续喷射、喷印精度高，成形效果好。

5)本发明运用电流体动力喷印的方式制备曲面随形电子，降低了制造成本，扩大了可打印材料应用范围，提高了喷印精度，运用五自由度运动平台，能够保证待喷印曲面的法线与喷头方向时刻重合，辅以电极环12的功效和参数设置的匹配，能够提供稳定的电流体喷印工艺环境，保证电流体喷印过程中“泰勒锥”的稳定形成与保持；结合本发明中的喷印方法，可以实现针对任意复杂曲面的随形图案化工艺，通过直接打印制备出直线度高、均匀性好、连贯性强且电学性能优异的高质量电路与器件，突破了不能在任意复杂曲面(尤其大曲率凹面)上直接制造高精密随形电路的技术瓶颈，打破了传统曲面电子制备仅局限于在小曲率简单曲面或平面上制备的限制，提高了电流体随形喷印工艺的应用范围。

6)本发明通过运动三轴平台与双轴旋转相结合的五自由度运动平台协同控制，位置坐标信息可以直接输入至运动控制系统，提升了运动轨迹解析效率。

7)本发明通过在喷头下方增加电极环12后，既用于聚焦射流和抑制卫星液滴，又用于使喷嘴7至电极环12之间、电极环12与待喷印曲面基材11之间产生梯度电势差，保证稳定喷射的曲面电场，防止因旋转姿态调整和曲面基材电势干扰造成的紊乱电场影响的出现。

8)本发明针对在曲面绝缘基底上进行打印经常无法产生电流体喷印射流，或者因强电场极化而出现射流紊乱的情况，通过对曲面电流体喷印的喷头的改进，配置了函数发生器31辅以正负交变电场，使电流体喷印工艺可以在任意衬底基材上直接按需打印高精度随形电路，保证了沉积液滴的形态和射流轨迹不受基底材料的影响。

9)本发明针对银导电墨水在喷头针尖处聚集出现“爬针”的现象，通过流量泵驱动实现了全打印过程功能材料的恒量稳定供给。

10)本发明建立了一套喷印过程实时监测系统，可实现对打印全过程射流形态的监测。通过实时观测喷嘴7尾部的液体状态，能够对打印工艺参数进行及时调整，从而打印出所需要的高质量、高精度曲面电路。

Claims (10)

1.高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，包括支撑架(10)，支撑架(10)内设置有Y运动轴组(21)，Y运动轴组(21)上设置有沿Y轴平移运动的支撑结构，支撑结构上支撑有绕Y轴旋转运动的B转动模块(20)，B转动模块(20)上设置有绕Z轴旋转运动的C转动模块(18)，C转动模块(18)上设置有工作台(17)，支撑架(10)的顶部设置有X运动轴组(2)，X运动轴组(2)一端连接有沿X轴平移运动的Z运动轴组(1)，Z运动轴组(1)的底端对应工作台(17)设置有沿Z轴平移运动的随形喷印模块(3)和视觉模块(6)，随形喷印模块(3)和视觉模块(6)共同电连接有上位机(30)。

2.如权利要求1所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，所述随形喷印模块(3)包括墨盒(16)，墨盒(16)上通过管道连通有与上位机(30)电连接的流量泵，墨盒(16)下方通过导管固定连通有底端朝下的喷嘴(7)，喷嘴(7)下方同轴间隔设置有电极环(12)，电极环(12)和喷嘴(7)外壁上均依次电连接有与上位机(30)电连接的函数发生器(31)和接地的交流电源(32)。

3.如权利要求2所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，所述视觉模块(6)包括位于墨盒(16)两侧且均与上位机(30)电连接的定位相机(13)和观测相机(8)，定位相机(13)垂直于待喷印曲面基材(11)，观测相机(8)对准于喷嘴(7)。

4.如权利要求1所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，所述Y运动轴组(21)一端沿Y轴设置有与上位机(30)电连接的Y轴驱动电机(22)，Y轴驱动电机(22)上设置有与上位机(30)电连接的光栅尺，Y轴驱动电机(22)输出端通过联轴器同轴连接有穿过支撑结构并与其螺纹配合的丝杠。

5.如权利要求1所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，所述B转动模块(20)一端沿Y轴固定连接有与上位机(30)电连接的B轴驱动电机(23)，B轴驱动电机(23)上设置有均与上位机(30)电连接的光栅尺、重力传感器及姿态传感器。

6.如权利要求1所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，所述C转动模块(18)下方沿Z轴固定连接有位于B转动模块(20)上且与上位机(30)电连接的C轴驱动电机(9)，C轴驱动电机(9)上设置有均与上位机(30)电连接的光栅尺、重力传感器及姿态传感器。

7.如权利要求1所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，所述X运动轴组(2)一侧沿X轴设置有与上位机(30)电连接的X轴驱动电机(5)，X轴驱动电机(5)上设置有与上位机(30)电连接的光栅尺，X轴驱动电机(5)输出端通过联轴器(4)同轴连接有穿过Z运动轴组(1)并与其螺纹配合的丝杠(14)。

8.如权利要求1所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备，其特征在于，所述Z运动轴组(1)顶部沿Z轴设置有与上位机(30)电连接的Z轴驱动电机(15)，Z轴驱动电机(15)上设置有与上位机(30)电连接的光栅尺，Z轴驱动电机(15)输出端通过联轴器同轴连接有穿过固定随形喷印模块(3)和视觉模块(6)的基板并与其螺纹配合的丝杠。

9.如权利要求1所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备的电流体喷印方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立待喷印曲面基材(11)的三维模型，将所需喷印的电路和相应的工艺状态要求导入三维模型中，并根据电子元器件选型对曲面空间进行布局与放置规划，然后将待喷印曲面基材(11)放置在工作台(17)上；

步骤2、将平面电路直接三维随形映射至三维模型的待喷印曲面上，并对映射后的曲面电路进行CAM路径工艺规划；具体为：将映射后的曲面电路分解为多条线段并为每条线段设置喷印轨迹顺序，将每条线段离散为多个离散点，结合待喷印曲面基材(11)在工作台(17)上所处的位置，获取每个离散点的五自由度的运动轨迹位置和工艺状态要求；

步骤3、将离散点的运动轨迹位置和工艺状态要求解析为上位机的指令，上位机结合喷印轨迹顺序依次喷印，从而完成所需喷印的电路在待喷印曲面基材(11)表面的随形喷印。

10.如权利要求9所述的高精密复杂硬曲面随形电路的电流体喷印设备的电流体喷印方法，其特征在于，所述步骤2中的运动轨迹位置包括X轴、Y轴和Z轴以及绕Y轴、Z轴旋转的旋转坐标；工艺状态要求包括函数发生器(31)施加的电压和流量泵控制喷嘴(7)的流量。