CN205929840U - 一种曲面基板的电流体动力学打印设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种曲面基板的电流体动力学打印设备，其包括机架；打印模块；打印平台；高压电源模块；所述打印模块能够分别沿着X、Z轴进行平移运动，所述打印平台设有打印面以及Y轴滑移机构，所述打印面设置在Y轴滑移机构上，实现打印面沿着Y轴方向进行平移运动，同时分别沿着X、Z轴进行周向旋转，从而使打印面分别绕着A和C轴实现旋转运动，本实用新型通过曲面基板的电流体动力学打印控制方法，分别驱动X、Y、Z轴实现平移运动以及A、C轴实现旋转运动，促使打印平台实现空间复合运动，从而在曲面基板上进行电流体动力学图案的打印。

Description

一种曲面基板的电流体动力学打印设备

技术领域

本实用新型涉及电流体动力学打印技术领域，尤其涉及一种曲面基板的电流体动力学打印设备。

背景技术

电流体动力学打印技术是在基板和喷嘴之间施加电压，在诱导电场力作用下，溶液从喷头流出，在喷嘴处形成弯液面，随着电压逐渐升高，电荷在弯液面聚集，电荷间的库仑力导致液体表面产生切向应力，在剪切力的作用下，弯液面在喷嘴顶端形成泰勒锥，随着电场强度增加，库仑力克服液体表面张力，液体从泰勒锥的顶端射出，形成液滴或射流。电流体动力学打印技术在微纳米加工技术方面得到广泛关注，如柔性电子电路、可穿戴电子设备、太阳能电池、生物功能器件等。

目前的电流体动力学打印设备只能进行硬质平面基板和柔性介质基板的打印，在硬质平面基板的电流体动力学打印过程中，将硬质平面基板固定在支撑平面平台上进行平面打印，在柔性介质基板的电流体动力学打印过程中，采用卷到卷薄膜基板输送模块，以输送作为图案打印基底的柔性介质基板薄膜，实现柔性介质基板的平铺，并在平铺的基板上打印图案。

电流体动力学打印工艺容易受到运动平台的移动速度、所施加的电压、喷射高度等参数的影响，影响电流体动力学打印图案的精确成形，影响功能器件的形貌，从而影响其性能。目前电流体动力学打印设备只能实现X、Y和Z轴的移动打印，仅适合平面基板的打印，对于曲面基板的电流体动力学打印，由于曲面基板的形状比较复杂，在打印过程中仅通过Z轴的移动难以准确控制喷射高度和打印位置的法线方向，从而影响曲面基板上电流体动力学打印厚度和图案的精确成形。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对现有的电流体动力学打印设备难以满足曲面基板的电流体动力学打印的不足，提出一种曲面基板的电流体动力学打印设备，突破现有的电流体动力学打印技术对曲面基板电流体动力学打印图案的限制，实现复杂曲面基板上图案的精确成形。

本实用新型的技术方案是：一种曲面基板的电流体动力学打印设备，其包括机架，所述机架上设有承载平台；

打印模块，所述打印模块通过X轴滑移机构以及Z轴滑移机构设置在承载平台上，且其设有用于喷墨的喷嘴，用于喷墨到曲面基板上以进行图案打印；

打印平台，所述打印平台通过Y轴滑移机构设置在承载平台上，打印平台上放置曲面基板；

高压电源模块，正极与打印模块连接，其负极与打印平台连接，用于提供电场力；

其还设有运动控制器模块，所述运动控制器模块控制X、Y、Z三轴的直线移动以及打印平台A轴和C轴的旋转运动，所述打印平台设有打印面以及Y轴滑移机构，所述打印面设置在Y轴滑移机构上，分别沿着X轴和C轴进行周向旋转。

所述打印模块包括喷墨机构、X轴滑移机构以及Z轴滑移机构，所述X轴滑移机构设置在支撑架上，所述Z轴滑移机构设置在X轴滑移机构上且与X相滑移机构构成X轴滑移配合，所述喷墨机构设置在Z轴滑移机构上且与Z轴滑移机构构成Z轴滑移配合。

所述喷墨机构包括安装平台以及固定设置在安装平台上的喷嘴，所述安装平台与Z轴滑移机构构成Z轴滑移配合。

所述安装平台下侧沿喷嘴两侧各设置第一光源和第一摄像头，所述第一光源和第一摄像头倾斜相向设置。

所述打印平台设有A轴旋转机构、C轴旋转机构以及Y轴滑移机构，所述打印面通过C轴旋转机构固定设置在A轴旋转机构上，所述打印面与C轴旋转机构构成周向旋转配合，所述打印面和C轴旋转机构与A轴旋转机构构成X向摆动配合，所述A轴旋转机构固定设置在Y轴滑移机构上，且其与Y轴滑移机构成滑移配合。

所述A轴旋转机构包括A轴电机和A轴固定架，所述C轴旋转机构铰接设置在A轴固定架上，且由A轴电机带动摆动，所述A轴固定架可滑移设置在Y轴滑移机构上。

所述C轴旋转机构包括C轴电机和C轴固定架，所述打印面设置在C轴固定架上，且与C轴电机构成周向旋转配合。

所述打印平台两侧分别设置第二光源和第二摄像头，且所述第二光源和第二摄像头相向对称设置。

本实用新型通过使得打印平台可周向旋转以及X轴摆动设置在承载平台上，使其可以进行曲面打印。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的内部结构示意图。

图3为本实用新型的内部结构平面视图。

图4为本实用新型的打印平台的结构示意图。

图5为本发明的曲面基板电流体动力学打印的控制流程框图。

具体实施方式

下面针对附图对本实用新型的实施例作进一步说明：

如图所示，本实用新型公开了一种曲面基板的电流体动力学打印设备，其包括机架1，所述机架上设有承载平台2；

打印模块，架设在承载平台2上，且所述打印模块的X轴以及Z轴滑移机构设置在承载平台上，且其设有用于喷墨的喷嘴4，用于喷墨到曲面基板上以进行图案打印；

所述打印模块包括喷墨机构、X轴滑移机构7以及Z轴滑移机构6，所述X轴滑移机构设置在支撑架8上，所述Z轴滑移机构设置在X轴滑移机构上且与X相滑移机构构成X轴滑移配合，所述喷墨机构设置在Z轴滑移机构上且与Z轴滑移机构构成Z轴滑移配合。所述喷墨机构包括安装平台5以及固定设置在安装平台上的喷嘴4，所述安装平台5与Z相滑移机构构成Z轴滑移配合。

支撑架8竖直设置在承载平台2上，而X轴滑移机构7则包括X轴滑轨，成X轴固定设置在支撑架上，而后Z轴滑移机构6的Z轴滑轨则与X轴滑轨滑移配合，即Z轴滑轨通过移动快固定设置在X轴滑轨上，可沿X方向移动，而喷墨机构通过安装平台固定在Z轴滑轨上，而安装平台5与Z轴滑轨沿Z方向移动，从而实现X轴和Z轴移动，从而进行调节喷墨机构的喷嘴4的位置。

所述安装平台5下侧沿喷嘴4两侧各设置第一光源9和第一摄像头10，所述第一光源和第一摄像头倾斜相向设置。该第一光源和第一摄像头的中心线与喷嘴的轴线相交于打印平台上，用于获取喷嘴打印时落点的监控。

打印平台，所述打印平台设置在承载平台2上，且所述打印平台的Y轴滑移机构设置在承载平台上，用于放置曲面基板；

运动控制器模块，所述运动控制器模块控制X、Y、Z三轴的直线移动以及打印平台A轴和C轴的旋转运动，其通过与各个伺服电机以及电机连接，通过控制电机来进行X、Y、Z三轴的直线移动以及打印平台A轴和C轴的旋转运动。如图所述，所述A轴即为X轴，所述C轴为Z轴。

所述打印平台设有打印面13以及Y轴滑移机构3，所述打印面设置在Y轴滑移机构3上，所述打印面13与Y轴滑移机构构成周向旋转以及X轴摆动配合。

所述打印平台设有A轴旋转机构、C轴旋转机构以及Y轴滑移机构，所述打印面通过C轴旋转机构固定设置在A轴旋转机构上，所述打印面与C轴旋转机构构成周向旋转配合，所述打印面和C轴旋转机构与A轴旋转机构构成X轴摆动配合，所述A轴旋转机构固定设置在Y轴滑移机构上，且其与Y轴滑移机构成滑移配合。

所述A轴旋转机构包括A轴电机17和A轴固定架14，所述C轴旋转机构铰接设置在A轴固定架上，且由A轴电机带动摆动，所述A轴固定架14可滑移设置在Y轴滑移机构上，该摆动角度可以根据需求进行设定。

所述C轴旋转机构包括C轴电机15和C轴固定架16，所述打印面设置在C轴固定架上，且与C轴电机构成周向旋转配合，从而可在喷嘴固定不动的情况下，利用打印面的旋转或摆动实现曲线喷印。

所述打印平台两侧分别设置第二光源11和第二摄像头12，且所述第二光源和第二摄像头相向对称设置。该第二光源和第二摄像头分别设置在液体滴落的路径的两侧，用于监控液滴滴落时的轨迹。

其中，X轴滑移机构、Y轴滑移机构以及Z轴滑移机构均采用伺服电机控制。

高压电源模块，正极与打印模块连接，其负极与打印平台连接，用于提供电场力，控制喷嘴喷印。

所述机架为柜体，该柜体通过承载平台分成上下两个柜，上柜中放置喷墨机构和打印平台，而上柜设有左右前三道可开启的柜门，而下柜前侧设有可开启的柜门，通过关闭柜门可以实现性电子微纳米结构的多功能电流体动力学喷印设备的密封，保证打印环境不受外界影响。

一种具有上述的曲面基板的电流体动力学打印设备的控制方法，其具体实现过程如下：

(1)测量打印基板曲面的表面形状，完成打印基板曲面的三维曲面建模，具体实现过程如下：

(a)采用三坐标测量仪，根据打印基板曲面的特点选择合适的扫描方式测量打印基板曲面的表面形状；

(b)对打印基板曲面的测量数据进行预处理，首先从测量的数据点集中剔除“坏点”；其次，通过曲面插值补充法或实物填充法等方法，对测量数据点进行增密处理；最后，采用平均法、五点三次平滑法或样条函数法等方法，对测量数据点进行平滑处理；

(c)对预处理的测量数据点进行NURBS曲面拟合,构建打印基板曲面的三维模型，其模型可以表示为：

$p(u,v)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{d}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)}{\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)}---\left(1\right)$

式中，d_i,j为控制顶点，i＝0,1,…,m，j＝0,1,…,n，ω_i,j为权因子，N_i,k(u)(i＝0,1,…,m)和N_j,l(v)(j＝0,1,…,n)分别为u向k次和v向l次的规范B样条基函数。

(2)在构建的打印基板曲面的三维模型上，对打印图案进行三维建模，三维模型可以采用参数样条曲面、贝齐尔曲面、B样条曲面或NURBS曲面等曲面表达式进行表示。

(3)根据构建的打印图案的三维模型，对打印图案进行路径规划，规划的图案打印路径可采用NURBS曲线表示：

$p\left(u\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{d}_i{N}_{i,k}\left(u\right)}{\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{N}_{i,k}\left(u\right)}---\left(2\right)$

式中，d_i(i＝0,1,…,n)为控制顶点，ω_i为权因子，N_i,k(u)(i＝0,1,…,m)为k次规范B样条基函数。规划的打印路径NURBS曲线采用三维建模笛卡尔坐标系可表示为：

p(u)＝[x(u),y(u),z(u)] (3)

(4)根据规划的图案打印路径NURBS曲线，在打印路径NURBS曲线的主法线上，构建距离打印路径NURBS曲线为常数h(h>0)的NURBS曲线，通过该曲线确定打印路径NURBS曲线的主法线方向，该NURBS曲线采用三维建模笛卡尔坐标系可表示为：

f(u)＝[x_h(u),y_h(u),z_h(u)] (4)

(5)对打印图案所规划的打印路径NURBS曲线进行双NURBS样条插补计算，具体实现步骤如下：

(a)在电流体动力学打印过程总，运动平台的各个轴均按照一定的插补周期进行运动，确定下一个插补周期的打印距离，其距离可以表示为：

Δs(t_i)＝v(t_i)T (5)

式中，Δs(t_i)为当前运动插补周期的打印距离，v(t_i)为当前运动插补周期的打印速度，T为运动平台的运动插补周期；

(b)确定下一个运动插补周期的参数空间中的参数值u_i+1，在参数空间中，NURBS曲线打印轨迹参数，通过二阶泰勒级数展开式求解，下一个插补周期的参数值u_i+1可表示为：

$\begin{array}{c}{u}_{i+1}=u_i+\frac{\mathrm{\Δ}s\left(t_i\right)}{\sqrt{{\[x^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[y^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[z^{\′}\left(u_i\right)\]}^2}}-\\ \frac{{\mathrm{\Δs}}^2\left(t_i\right)\[x^{\′}\left(u_i\right)x^{\′\′}\left(u_i\right)+y^{\′}\left(u_i\right)y^{\′\′}\left(u_i\right)+z^{\′}\left(u_i\right)z^{\′\′}\left(u_i\right)\]}{2\sqrt{{\[x^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[y^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[z^{\′}\left(u_i\right)\]}^2}}\end{array}---\left(6\right)$

(c)计算下一个运动插补周期的三维建模笛卡尔坐标系中的打印路径NURBS曲线的打印位置以及该位置的法线方向上距离为的常数h的位置，分别由式(3)和(4)求解，得到的值分别为：

p(u_i+1)＝[x(u_i+1),y(u_i+1),z(u_i+1)] (7)

f(u_i+1)＝[x_h(u_i+1),y_h(u_i+1),z_h(u_i+1)] (8)

(d)确定规划路径NURBS曲线的下一个运动插补周期的打印位置的主法线单位矢量，根据下一个运动插补周期的参数空间中的参数值u_i+1进行计算，其主法线的单位矢量可表示为：

$F\left(u_{i+1}\right)={\[F_x,F_y,F_z\]}^T=\frac{f\left(u_{i+1}\right)-p\left(u_{i+1}\right)}{|f\left(u_{i+1}\right)-p\left(u_{i+1}\right)|}---\left(9\right)$

(e)将计算得到的下一个运动插补周期的三维建模笛卡尔坐标系中的打印路径NURBS曲线的打印位置p(u_i+1)以及该位置的主法线单位矢量F(u_i+1)转换到电流体动力学打印设备坐标系中的移动轴X、Y、Z轴和旋转轴A、C轴，设转动台在电流体动力学打印设备坐标系中坐标为(x₀,y₀,z₀)，下一个运动插补周期的移动轴X、Y、Z轴和旋转轴A、C轴的值分别为：

A(t_i+1)＝m₁arccosF_x,m₁＝-1,1 (10)

$C\left(t_{i+1}\right)=m_{2}arctan\frac{F_x}{F_y}-m_2\mathrm{\π},m_2=0,1---\left(11\right)$

x(t_i+1)＝[x(u_i+1)-x₀]cosC(t_i+1)-[y(u_i+1)-y₀]sinC(t_i+1)+x₀ (12)

$\begin{array}{c}y\left(t_{i+1}\right)=\[x\left(u_{i+1}\right)-x_0\]\cos A\left(t_{i+1}\right)\sin C\left(t_{i+1}\right)+\[y\left(u_{i+1}\right)-y_0\]\cos A\left(t_{i+1}\right)\cos C\left(t_{i+1}\right)\\ -\[z\left(u_{i+1}\right)-z_0\]\sin A\left(t_{i+1}\right)+y_0\end{array}---\left(13\right)$

$\begin{array}{c}z\left(t_{i+1}\right)=\[x\left(u_{i+1}\right)-x_0\]\sin A\left(t_{i+1}\right)\sin C\left(t_{i+1}\right)+\[y\left(u_{i+1}\right)-y_0\]\sin A\left(t_{i+1}\right)\cos C\left(t_{i+1}\right)\\ -\[z\left(u_{i+1}\right)-z_0\]cosA\left(t_{i+1}\right)+z_0\end{array}---\left(14\right)$

(f)分别计算下一个运动插补周期的X、Y、Z轴的打印距离以及A、C轴旋转角度，分别表示为：

ΔA(t_i+1)＝A(t_i+1)-A(t_i) (15)

ΔC(t_i+1)＝C(t_i+1)-C(t_i) (16)

Δx(t_i+1)＝x(t_i+1)-x(t_i) (17)

Δy(t_i+1)＝y(t_i+1)-y(t_i) (18)

Δz(t_i+1)＝z(t_i+1)-z(t_i) (19)

(6)分别将移动轴X、Y、Z轴的移动距离Δx(t_i+1)、Δy(t_i+1)、Δz(t_i+1)以及旋转轴A和C轴旋转角度ΔA(t_i+1)和ΔC(t_i+1)经过数据处理后传给各个轴的伺服驱动器，由驱动器驱动电机的运动，促使X、Y、Z轴进行平移运动以及A、C轴进行旋转运动，从而实现在曲面基板上进行电流体动力学图案的打印。

实施例不应视为对本实用新型的限制，但任何基于本实用新型的精神所作的改进，都应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种曲面基板的电流体动力学打印设备，其包括机架，所述机架上设有承载平台；

打印模块，所述打印模块通过X轴滑移机构以及Z轴滑移机构设置在承载平台上，且其设有用于喷墨的喷嘴，用于喷墨到曲面基板上以进行图案打印；

打印平台，所述打印平台通过Y轴滑移机构设置在承载平台上，打印平台上放置曲面基板；

高压电源模块，正极与打印模块连接，其负极与打印平台连接，用于提供电场力；其特征在于：其还设有运动控制器模块，所述运动控制器模块控制X、Y、Z三轴的直线移动以及打印平台A轴和C轴的旋转运动，所述打印平台设有打印面以及Y轴滑移机构，所述打印面设置在Y轴滑移机构上，分别沿着X轴和Z轴进行周向旋转。

2.根据权利要求1所述的曲面基板的电流体动力学打印设备，其特征在于：所述打印模块包括喷墨机构、X轴滑移机构以及Z轴滑移机构，所述X轴滑移机构设置在支撑架上，所述Z轴滑移机构设置在X轴滑移机构上且与X轴滑移机构构成X轴滑移配合，所述喷墨机构设置在Z轴滑移机构上且与Z轴滑移机构构成Z轴滑移配合。

3.根据权利要求2所述的曲面基板的电流体动力学打印设备，其特征在于：所述喷墨机构包括安装平台以及固定设置在安装平台上的喷嘴，所述安装平台与Z轴滑移机构构成Z轴滑移配合。

4.根据权利要求3所述的曲面基板的电流体动力学打印设备，其特征在于：所述安装平台下侧沿喷嘴两侧各设置第一光源和第一摄像头，所述第一光源和第一摄像头倾斜相向设置。

5.根据权利要求1所述的曲面基板的电流体动力学打印设备，其特征在于：所述打印平台设有A轴旋转机构、C轴旋转机构以及Y轴滑移机构，所述打印面通过C轴旋转机构固定设置在A轴旋转机构上，所述打印面与C轴旋转机构构成周向旋转配合，所述打印面和C轴旋转机构与A轴旋转机构构成X向摆动配合，所述A轴旋转机构固定设置在Y轴滑移机构上，且其与Y轴滑移机构成滑移配合。

6.根据权利要求5所述的曲面基板的电流体动力学打印设备，其特征在于：所述A轴旋转机构包括A轴电机和A轴固定架，所述C轴旋转机构铰接设置在A轴固定架上，且由A轴电机带动摆动，所述A轴固定架可滑移设置在Y轴滑移机构上。

7.根据权利要求5所述的曲面基板的电流体动力学打印设备，其特征在于：所述C轴旋转机构包括C轴电机和C轴固定架，所述打印面设置在C轴固定架上，且与C轴电机构成周向旋转配合。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的曲面基板的电流体动力学打印设备，其特征在于：所述打印平台两侧分别设置第二光源和第二摄像头，且所述第二光源和第二摄像头相向对称设置。