一种立体柔性电路打印装置及打印方法
技术领域
本发明涉及电子电路的技术领域，更具体地，涉及一种立体柔性电路打印装置及打印方法。
背景技术
随着科技的进步，电子电路产业不断朝着集成化、柔性化的方向迅猛发展。电子芯片中的器件密度和复杂性也呈指数增长，传统的PCB电路板面积在不断缩小，与人们追求的极致外观和丰富功能形成矛盾。如何利用有效的电子电路空间，集成更多的电子器件成为了未来电子电路发展的必要要求，立体电路应运而生。目前，立体电路的制备一般有两种方式：制备出多层电路结构，在层间布建通路连接各层电路；直接制备出自支撑结构。其中层层结构的电路虽然可以增大电子电路空间利用，类似于芯片的层层架构，但这种方法制备的电路很难应用于可穿戴电子设备或者柔性电子器件，它所具有的拉伸性能非常有限，也不能够进行空间跨尺度的连接，不能够承受重复的弯曲和拉伸以及较大程度的应变；而自支撑结构电路可很好地克服层层电路的缺陷，但实际应用中材料的可用性和特性还缺乏相关研究。
中国专利CN110901067A公开了一种同轴式的3D打印装置来制备空间立体电路，通过两层挤出机构交替挤出不同类型的材料，外层挤出绝缘材料，内层挤出导电材料，再分层打印到基底上，此方法制备的立体电路也是属于层层堆叠结构，不能够进行拉伸或收缩。中国专利CN106817846A公开了一种基于3D打印工艺的液态金属立体电路的制造方法，将液态金属注入3D打印的三维实体中空流道当中，若流道过细，液态金属后期将很难注入到流道内部，其制备的电路不具有延展性能、工序过于复杂。专利KR1020160118587提出先将聚合物注塑成型，再将导电聚合物涂覆到热塑性树脂上，使用激光刻蚀使热塑性树脂熔化并将导电聚合物吸附到ABS上，其电路的延展性完全取决于集体载体本身固有的拉伸性，空间占有率大。专利WO2016164729采用3D打印平台装置，将导电银浆通过喷嘴挤出并结合激光实时固化，使导电银浆在空间成型形成立体电路，其适用的导电油墨材料过于单一，且银浆配置条件苛刻、成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种立体柔性电路打印装置，可灵活地在空间任意位置制备支撑电路结构，对导电油墨种类的局限少，实用性和适用性强。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种立体柔性电路打印装置，包括基座及安装于基座的保护盖，所述基座及保护盖之间设有中空腔体；所述基座安装有可产生X轴、Y轴、Z轴三向运动的三轴运动组件，所述三轴运动组件安装有安装板，所述安装板安装有油墨挤出组件和油墨固化组件；所述油墨挤出组件及油墨固化组件下方设有工作平台，所述工作平台活动安装于基座，待打印基材夹装于工作平台；所述三轴运动组件、油墨挤出组件、油墨固化组件及工作平台均安装于中空腔体内。
本发明的立体柔性电路打印装置，将待打印基材夹装于工作平台，选择与导电油墨匹配的油墨固化组件安装于安装板，油墨挤出组件、油墨固化组件、工作平台的位置均可调，可快速调整油墨挤出方向相对基材的角度，在油墨固化组件的作用下导电油墨实时烧结固化。本发明适用于不同种类导电油墨的挤出和固化，适用范围广泛；且本发明设置多个自由度，可灵活地在空间任意位置制备支撑电路结构，灵活度高，可实现高分辨率的立体柔性电路打印。
进一步地，所述三轴运动组件包括X轴模组、Y轴模组及Z轴模组，所述Y轴模组安装于基座，所述X轴模组安装于Y轴模组，所述Z轴模组安装于X轴模组，所述安装板安装于Z轴模组。
进一步地，所述Y轴模组为两组，两组Y轴模组平行设置；所述Y轴模组包括第二伺服电机、连接于第二伺服电机输出轴的第二丝杆以及与第二丝杆连接的第二滑块，所述X轴模组的两端分别安装于两组第二滑块上。
进一步地，所述X轴模组包括第一伺服电机、连接于第一伺服电机输出轴的第一丝杆以及与第一丝杆连接的第一滑块，所述Z轴模组安装于第一滑块，所述Z轴模组垂直于两组X轴模组所在平面。
进一步地，所述Z轴模组包括第三伺服电机、连接于第三伺服电机输出轴的第三丝杆以及与第三丝杆连接的第三滑块，所述安装板安装于第三滑块。
进一步地，所述油墨挤出组件包括活塞、加料注射器、喷嘴及驱动活塞移动的驱动机构，所述活塞连接于驱动机构的输出端，且所述活塞可活动地贴于加料注射器内壁设置，所述喷嘴连通于加料注射器的末端。
进一步地，所述油墨挤出组件通过第一万向支架可拆卸地安装于安装板，所述喷嘴出口方向与喷嘴出口处导电油墨横截面垂直。
进一步地，所述油墨固化组件包括氙气闪光灯和激光反射聚焦模块，所述激光反射聚焦模块固装于安装板，所述氙气闪光灯通过第二万向支架可拆卸地安装于安装板。
进一步地，所述工作平台通过第一旋转台和第二旋转台安装于基座，所述工作平台安装于第一旋转台，所述第一旋转台安装于第二旋转台，所述第二旋转台与基座转动连接，所述第一旋转台、第二旋转台的旋转方向垂直；所述第一旋转台连接有第四伺服电机，所述第二旋转台连接有第五伺服电机。
本发明还提供了一种立体柔性电路打印方法，包括以下步骤：
S10.将待打印基材夹装于工作平台，选择与导电油墨匹配的油墨固化组件，调整工作平台和油墨挤出组件的位置，使得导电油墨打印的横截面与喷嘴出口截面始终保持垂直；
S20.通过MATLAB软件拟合出立体柔性电路的空间轨迹，在拟合完成的空间轨迹导出坐标数据点；
S30.基于步骤S20中得到的坐标数据点控制三轴运动组件、第一万向支架、第二万向支架、第一旋转台及第二旋转台的动作实现立体柔性电路的打印。
本发明的立体柔性电路打印方法，根据基材材质和导电油墨的特性选择不同的烧结固化方式，能够适用于更广泛范围的金属导电油墨；导电油墨打印的横截面与喷嘴出口截面始终保持垂直，可减少导电油墨在喷嘴出口处的剪切速率，增加油墨出口处的保型性；且设置多个自由度，可灵活地在空间任意位置制备支撑电路结构，灵活度高，可实现高分辨率的立体柔性电路打印。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的立体柔性电路打印装置及打印方法，根据基材材质和导电油墨的特性选择不同的烧结固化方式，适用于不同种类导电油墨的挤出和固化，适用范围广泛；且本发明设置多个自由度，可灵活地在空间任意位置制备支撑电路结构，灵活度高，可实现高分辨率的立体柔性电路打印。
附图说明
图1为本发明的立体柔性电路打印装置的结构示意图；
图2为立体柔性电路打印装置拆除保护盖的结构示意图；
图3为三轴运动组件的结构示意图；
附图中：1-基座；2-保护盖；3-三轴运动组件；31-X轴模组；32-Y轴模组；33-Z轴模组；34-第一滑块；35-第二滑块；36-第三滑块；4-安装板；5-油墨挤出组件；52-喷嘴；53-第一万向支架；6-油墨固化组件；61-氙气闪光灯；62-激光反射聚焦模块；63-第二万向支架；7-工作平台；71-第一旋转台；72-第四伺服电机；73-第二旋转台；74-第五伺服电机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
如图1至图3所示为本发明的立体柔性电路打印装置的实施例，包括基座1及安装于基座1的保护盖2，所述基座1及保护盖2之间设有中空腔体；所述基座1安装有可产生X轴、Y轴、Z轴三向运动的三轴运动组件3，所述三轴运动组件3安装有安装板4，所述安装板4安装有油墨挤出组件5和油墨固化组件6；所述油墨挤出组件5及油墨固化组件6下方设有工作平台7，所述工作平台7活动安装于基座1，待打印基材夹装于工作平台7；所述三轴运动组件3、油墨挤出组件5、油墨固化组件6及工作平台7均安装于中空腔体内。其中，保护盖2的设置可以隔离打印工作中油墨固化组件6工作产生的危害；本实施例可在基座1的一侧面设置一面观察操作窗口，也可在基座1连接透明门体实现观察的目的。
本实施例在实施时，将待打印基材夹装于工作平台7，选择与导电油墨匹配的油墨固化组件6安装于安装板4，油墨挤出组件5、油墨固化组件6、工作平台7的位置均可调，可快速调整油墨挤出方向相对基材的角度，在油墨固化组件6的作用下导电油墨实时烧结固化，实现高分辨率的立体柔性电路打印。其中，根据基材的材质和导电油墨的特性选择不同的烧结固化方式，能够适用于各种种类的金属导电油墨，如：银浆、铜浆这类单金属纳米油墨，合金金属纳米油墨，金属氧化物纳米油墨，核壳双金属纳米油墨等各种种类的金属导电油墨；除适用含有金属导电颗粒的液态油墨以外，还可以适用于溶胶、凝胶态或者膏状的导电油墨。
在其中一个实施例中，所述三轴运动组件3包括X轴模组31、Y轴模组32及Z轴模组33，所述Y轴模组32安装于基座1，所述X轴模组31安装于Y轴模组32，所述Z轴模组33安装于X轴模组31，所述安装板4安装于Z轴模组33。本实施例在调整安装板4位置时，X轴模组31可在Y轴模组32上滑动，Z轴模组33在X轴模组31上滑动，而安装板4在Z轴模组33的驱动作用下上下滑动。在调整安装板4位置过程中，安装于安装板4上的油墨挤出组件5和油墨固化组件6的位置跟随着安装板4位置的变化而变化，从而调整油墨挤出组件5和油墨固化组件6相对工作平台7的位置。本实施例中，X轴模组31、Y轴模组32及Z轴模组33均可选用市售的线性模组，具体地：
所述Y轴模组32为两组，两组Y轴模组32平行设置；所述Y轴模组32为包括第二滑块35的第二线性模组，所述X轴模组31的两端分别安装于两组第二滑块35上。所述X轴模组31为包括第一滑块34的第一线性模组，所述Z轴模组33安装于第一滑块34，所述Z轴模组33垂直于两组X轴模组31所在平面。所述Z轴模组33为包括第三滑块36的第三线性模组，所述安装板4安装于第三滑块36。本实施例中，X轴模组31、Y轴模组32及Z轴模组33的结构相同，均包括伺服电机、丝杆以及滑块，X轴模组31、Y轴模组32及Z轴模组33的滑块分别对应第一滑块34、第二滑块35及第三滑块36，伺服电机转动，带动丝杆转动，丝杆与滑块之间通过螺纹连接，丝杆的转动转化为滑块的线性运动，从而实现安装板4在X轴、Y轴及Z轴三个方向上的位移线性变化；本实施例可将X轴模组31、Y轴模组32及Z轴模组33的伺服电机与控制系统连接实现三轴运动组件3的自动控制。但需要说明的是，X轴模组31、Y轴模组32及Z轴模组33的传动不限于采用丝杆滑块的传动方式，其他如链传动、带传动等能够实现线性运动的传动方式也适用于本发明。
在其中一个实施例中，所述油墨挤出组件5包括活塞、加料注射器、喷嘴52及驱动活塞移动的驱动机构，所述活塞连接于驱动电机的输出端，所述活塞可活动地贴于加料注射器内壁设置，所述喷嘴52连通于加料注射器的末端。本实施例中的驱动机构可采用电动推杆直接驱动活塞移动，也可采用驱动电机先驱动丝杆旋转、丝杆与活塞通过螺纹连接、将丝杆的转动转化为活塞的移动的驱动方式驱动活塞移动以获得更好的运动稳定性，当然本实施例的驱动机构并不限于上述两种方式，其他能够推动活塞移动加压挤出导电油墨的驱动方式也可适用于本发明。本实施例实施时，驱动机构驱动活塞移动对加料注射器进行加压，存储于加料注射器内的导电油墨被挤出至喷嘴52，通过调整驱动机构的工作功率可调节挤出导电油墨的速度和压力。本实施例的加料注射器和喷嘴52之间可连接导管对导电油墨的流动起到输送和导向作用，喷嘴52可采用价格低廉、易拆卸替换的针头，针头出口内径为0.1mm～0.2mm，当然针头的内径并不限于上述范围，其内径可根据打印的立体电路的分辨率要求进行调整。
在其中一个实施例中，所述油墨挤出组件5通过第一万向支架53可拆卸地安装于安装板4，所述喷嘴52出口方向与喷嘴52出口处导电油墨横截面垂直，使得导电油墨的粘弹性和喷嘴52毛细张力引起的内部压应力、以及喷嘴52对油墨的拉力与出口段导电油本身的重力相抵消；同时，可使得喷嘴52出口处的导电油墨受到的剪切力减小，避免喷嘴52出口处导电油墨的剪切致稀性，减少了导电油墨在未固化前出现塌陷或者变形的情况，同时也避免了导电油墨中固体含量不足引起的粘性不足，较大程度提高了普通导电油墨的适用性。为了微调油墨挤出组件5的位置，本实施例可在安装板4的背面设置一个市售手动三轴精密移动滑台，以更精确地控制喷嘴52的位置。
所述油墨固化组件6包括氙气闪光灯61和激光反射聚焦模块62，所述激光反射聚焦模块62固装于安装板4，所述氙气闪光灯61通过第二万向支架63可拆卸地安装于安装板4，设置第二万向支架63可用来调节氙气闪光灯61的位置使其对准工作平台7。氙气闪光灯61可以产生高能量瞬时强脉冲光用于烧结固化导电油墨形成立体电路；激光反射聚焦模块62可根据导电油墨材料的不同产生红外激光、紫外激光或绿光，其作用也是用于烧结固化导电油墨形成立体电路。本实施例可采用强脉冲光和激光固化结合的固化方式、也可根据导电油墨的材质选用强脉冲光或激光固化的固化方式。另外，本实施例的氙气闪光灯61和油墨挤出模块可更换为熔融挤出模块和冷切模块以适用于掺杂了导电金属颗粒的热塑性高分子材料打印立体柔性电路。
上述的第一万向支架53和第二万向支架63固定在安装板4上，第一万向支架53和第二万向支架63的结构相同，二者均可绕Z轴旋转360°，也可以绕Z轴摆动。具体地，第一万向支架53和第二万向支架63可包括：安装于安装板4的第一安装座73、与第一安装座73转动连接的转动轴、转动轴方向与Z轴平行，转动轴的一端连接有第二安装座73，第二安装座73上安装摆动电机，将油墨挤出组件5、氙气闪光灯61安装于摆动电机的输出轴。需要说明的是，为调整油墨挤出组件5、氙气闪光灯61的位置，还可采用其他能够同时实现旋转和摆动的万向支架。
在其中一个实施例中，所述工作平台7通过第一旋转台71和第二旋转台73安装于基座1，所述工作平台7安装于第一旋转台71，所述第一旋转台71安装于第二旋转台73，所述第二旋转台73与基座1转动连接，所述第一旋转台71、第二旋转台73的轴心线垂直；第一旋转台71连接有第四伺服电机72，所述第二旋转台73连接有第五伺服电机74。具体地，第四伺服电机72驱动第一旋转台71旋转，第五伺服电机75驱动第二旋转台73旋转，如此便可实现工作平台7在另一平面的旋转。如此设置，本实施例可提供更加灵活的立体柔性电路打印方案；另外，在导电油墨的固体含量较低时，可通过第一旋转台71、第二旋转台73旋转工作平台7，保持喷嘴52出口方向与喷嘴52出口处导电油墨横截面保持垂直，减少导电油墨在喷嘴52出口处的剪切速率，增加油墨出口处的保型性。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
实施例二
本实施例为立体柔性电路打印方法的实施例，包括以下步骤：
S10.将待打印基材夹装于工作平台7，选择与导电油墨匹配的油墨固化组件6，调整工作平台7和油墨挤出组件5的位置，使得导电油墨打印的横截面与喷嘴52出口截面始终保持垂直；
S20.通过MATLAB软件拟合出立体柔性电路的空间轨迹，在拟合完成的空间轨迹导出坐标数据点；
S30.基于步骤S20中得到的坐标数据点控制三轴运动组件3、第一万向支架53、第二万向支架63、第一旋转台及第二旋转台的动作实现立体柔性电路的打印。
步骤S10中，导电油墨打印的横截面与喷嘴52出口截面始终保持垂直，即采用墨水直写的打印方法，可以使得导电油墨的粘弹性和喷嘴52毛细张力引起的内部压应力，以及喷嘴52对油墨的拉力与出口段导电油本身的重力相抵消，同时这样的处理方式可以使得喷嘴52出口处的导电油墨受到的剪切力减小，避免了喷嘴52出口处导电油墨的剪切致稀性；减少了导电油墨在未固化前出现塌陷或者变形的情况，同时也避免了导电油墨中固体含量不足引起的粘性不足，很大程度上的提高了普通导电油墨的适用性。
步骤S20中，通过MATLAB软件拟合出立体柔性电路的轨迹，合理规划电路的分布以及走向，保证立体电路在空间中不会交叉短路；
步骤S30中，使用编写的PMAC上位机将轨迹坐标转换成PMAC CK3M能够识别的坐标点格式，并传输至下位机运动程序，控制运动系统实现高分辨率立体柔性电路打印。步骤S30中，打印过程采用的是双摆轴五轴打印机，具有较高的灵活性，易于实现高分辨率立体柔性电路打印。
本实施例可对导电油墨黏度、挤出压力、打印速度、喷嘴52距离打印工作平台7高度等条件进行优化以改善立体柔性电路的分辨率。另外本实施例得到的立体柔性电路为可穿戴电子设备中的芯片或者其他组件进行引脚互联，解决柔性基材因为外力作用下产生形变或者位移，造成的芯片位置改变和偏移时引脚断裂或者损坏，不会对引脚的信号承载质量产生影响。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
