一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置及成形方法

1.本发明属于微纳电子制造设备技术领域，更具体的说是涉及一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置及成形方法。


背景技术：

2.气溶胶喷射打印技术是一种新兴的“直写式”印刷技术，由于其高精度、高效率、高粘度、非接触等特点在微纳电子制造领域取得了广阔的应用前景。气溶胶喷射打印技术由于在鞘气气流的作用下“压缩”气溶胶气流，因此可达到高精度、高分辨率的打印效果，可使打印线宽达到10μm，并且打印材料范围广，可在常温下进行打印，对打印材料的要求低，可以对大多数导电材料的墨水进行打印。同时打印基底不受限，只要基底材料与打印墨水兼容，几乎都可适用，且为非接触式打印。但是打印过程需要对鞘气流量、载气流量、喷嘴尺寸、基底等因素进行控制，因素较多不易控制，容易出现打印线条的过喷、卫星液滴等现象。气溶胶喷射打印的生产成本低，通过autocad软件生成喷印路径，通过其无掩膜的先进增材制造技术，降低打印电路的加工费用及时间。与其他打印方式相比，气溶胶微喷射打印在打印时喷头内有鞘气环绕气流的作用，因此墨水与喷头内壁不接触，可避免喷头腐蚀以及防止喷头堵塞。
3.随着气溶胶喷射打印技术的发展，该打印技术已经逐渐在打印平面器件上达到了广泛的应用，由于气溶胶喷射打印技术的打印喷头内部有一层被称作为鞘气的环绕气流，喷头内部的鞘气可压缩雾化后的气溶胶小颗粒射流，可实现高精度的打印。但现有的气溶胶喷射打印设备无法精确实现复杂曲面的打印。
4.因此，如何提供一种基于微纳电子制造的精度高的复杂曲面打印装置及成形方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置及成形方法，在常规三维打印系统的x轴、y轴与z轴三轴平台的基础上，添加了a轴翻转轴与c轴旋转轴组成五轴打印平台，实现基于微纳电子制造的气溶胶喷射打印技术下的复杂曲面打印。这种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置，不仅能实现气溶胶打印技术下微纳电子器件复杂曲面的打印，还可以解决其他五轴曲面打印所带来的打印精度低等问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置，包括：五轴成形装置、控制系统和打印供料装置；所述五轴成型装置与打印供料装置相连通；所述五轴成形装置和所述打印供料装置均与所述控制系统电连接；
8.所述五轴成形装置，通过x轴、y轴、z轴、a轴与c轴的共同控制，达到曲面共形打印；
9.所述打印供料装置，用于为五轴成形装置提供雾化的墨水；
10.所述控制系统，通过输入准备好的打印器件所需的路径，以此来控制五轴成形装
置的按照预定的路线运行。
11.进一步的，所述五轴成形装置包括气溶胶打印喷头、x轴传动机构、y轴传动机构、z轴传动机构、a轴传动机构、c轴传动机构、u形支撑座、翻转台和打印平台；所述气溶胶打印喷头与所述x轴传动机构传动连接；所述x轴传动机构架设在所述z轴传动机构上，并与所述z轴传动机构传动连接；所述y轴传动机构位于z轴传动机构内侧，所述u形支撑座与所述y轴传动机构传动连接；所述a轴传动机构安装在所述u形支撑座上，输出端与所述翻转台传动连接；所述c轴传动机构安装在所述翻转台上，输出端与所述打印平台传动连接。
12.进一步的，所述x轴传动机构包括x轴导轨和x轴步进电机，所述x轴步进电机设置在所述x轴导轨上，所述气溶胶打印喷头通过滑块滑动连接在所述x轴导轨上，所述x轴步进电机驱动所述气溶胶打印喷头沿x轴导轨移动。
13.进一步的，所述z轴传动机构包括z轴导轨和z轴步进电机，所述z轴步进电机设置在所述z轴导轨一侧，所述x轴导轨的两端均安装有滚动轴承，所述滚动轴承与所述z轴导轨滚动连接，所述z轴步进电机驱动所述x轴导轨沿z轴导轨移动。
14.进一步的，y轴传动机构包括y轴导轨、支撑块、y轴步进电机和链条链轮机构，所述u形支撑座安装在所述支撑块上，所述u形支撑座的两端滑动设置在所述y轴导轨上，所述y轴步进电机安装在所述支撑块的顶部，并通过链条链轮机构驱动u形支撑座沿y轴导轨移动。
15.进一步的，所述a轴传动机构包括a轴步进电机和齿轮组，所述u形支撑座的顶部的两端均安装有所述a轴步进电机，所述a轴步进电机的输出端通过齿轮组与所述翻转台传动连接，驱动翻转台前后摆动。
16.进一步的，所述c轴传动机构包括c轴步进电机和蜗轮蜗杆传动机构，所述c轴步进电机和所述蜗轮蜗杆传动机构均安装在所述翻转台上，c轴步进电机通过所述蜗轮蜗杆传动机构与所述打印平台传动连接，驱动所述打印平台沿水平方向旋转。
17.进一步的，所述打印供料装置包括氮气罐和雾化装置，所述氮气罐和所述雾化装置均通过气体导管与所述气溶胶打印喷头相连通。
18.进一步的，氮气罐和雾化装置向连通，且所述氮气罐与所述气溶胶打印喷头连通的气体导管以及氮气罐与所述雾化装置连通的气体导管上均安装有限压阀。
19.一种基于微纳电子制造的复杂曲面的成形方法，包括如下步骤：
20.步骤1：切片及代码优化：设置打印参数，并将一个预设微纳电子器件的三维模型进行切片，得到打印代码；通过对打印代码进行优化，使气溶胶打印喷射气溶胶速度与移动速度匹配；
21.步骤2：打印准备：连接好复杂曲面打印装置，向雾化装置填充好所需雾化的墨水；
22.步骤3：打印实施：控制系统先驱使x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机、a轴步进电机、c轴步进电机带动相应的运动周回到初始位置，再根据优化后的打印代码使x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机、a轴步进电机、c轴步进电机按照程序轨迹，进行微纳电子器件的复杂曲面增材制造。
23.本发明的有益效果在于：
24.(1)本发明提出了一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置主要实现气溶胶打印技术下微纳电子器件复杂曲面的打印，提高了气溶胶喷射打印在微纳电子制造领域的应
用范围，同时提高了复杂曲面打印的打印精度。
25.(2)本发明基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置与其他五轴打印装置相比，采用气溶胶喷射打印技术，有效地提高了打印的精度与打印效率，并且可以有效的防止气溶胶打印喷头堵塞。
26.(3)本发明基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置的打印机结构稳定且无需模具打印，提高了打印效率且降低了打印成本。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新式的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
28.图1为本发明基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置整体框架示意图。
29.图2为本发明基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置结构示意图。
30.图3为本发明打印平台的安装结构主视图。
31.图4为本发明打印平台的安装结构俯视图。
32.图5为本发明基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置打印复杂曲面结构时的状态图。
33.图1中：
ⅰ‑
五轴成形装置、
ⅱ‑
控制系统、
ⅲ‑
打印供料装置。
34.图2中：1-气动雾化器、2-超声雾化器、3-x轴导轨、4-滚动轴承、5-z轴导轨、6-x轴步进电机、7-滑块、8-气溶胶打印喷头、9-y轴导轨、10-u形支撑座、11-y轴步进电机、12-链条链轮机构、13-底部框架、14-z轴步进电机、15-翻转台、16-a轴步进电机、17-齿轮组、18-c轴步进电机、19-蜗轮蜗杆传动机构、20-打印平台、21-氮气罐、22-气体导管、23-支撑块、24-限压阀。
35.图3中：9-y轴导轨、10-u形支撑座、11-y轴步进电机、12-链条链轮机构、13-底部框架、15-翻转台、16-a轴步进电机、17-齿轮组、18-c轴步进电机、19-蜗轮蜗杆传动机构、20-打印平台、23-支撑块。
36.图4中：9-y轴导轨、10-u形支撑座、11-y轴步进电机、12-链条链轮机构、13-底部框架、15-翻转台、16-a轴步进电机、17-齿轮组、18-c轴步进电机、20-打印平台。
37.图5中：8-气溶胶打印喷头、20-打印平台。
具体实施方式
38.下面将结合本发明的实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.参考图1-5，本发明提供了一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置，包括：五轴成形装置ⅰ、控制系统ⅱ和打印供料装置ⅲ；所述五轴成型装置与打印供料装置ⅲ相连通；所述五轴成形装置ⅰ和所述打印供料装置ⅲ均与所述控制系统ⅱ电连接；
40.所述五轴成形装置ⅰ，通过x轴、y轴、z轴、a轴与c轴的共同控制，达到曲面共形打印；五轴成形装置ⅰ可以沿x轴、y轴、z轴三个方向移动，以及绕x轴和绕z轴两个方向的摆动、旋转运动，可实现气溶胶打印在曲面平台的共形打印，提高了曲面共形打印电子器件的打印精度。
41.所述打印供料装置ⅲ，用于为五轴成形装置ⅰ提供雾化的墨水；
42.所述控制系统ⅱ，通过输入准备好的打印器件所需的路径，以此来控制五轴成形装置ⅰ的按照预定的路线运行，提高了打印效率且降低了打印成本。
43.所述五轴成形装置ⅰ包括气溶胶打印喷头8、x轴传动机构、y轴传动机构、z轴传动机构、a轴传动机构、c轴传动机构、u形支撑座10、翻转台15和打印平台20；所述气溶胶打印喷头8与所述x轴传动机构传动连接；所述x轴传动机构架设在所述z轴传动机构上，并与所述z轴传动机构传动连接；所述y轴传动机构位于z轴传动机构内侧，所述u形支撑座10与所述y轴传动机构传动连接；所述a轴传动机构安装在所述u形支撑座10上，输出端与所述翻转台15传动连接；所述c轴传动机构安装在所述翻转台15上，输出端与所述打印平台20传动连接。
44.所述x轴传动机构包括x轴导轨3和x轴步进电机6，所述x轴步进电机6设置在所述x轴导轨3上，所述气溶胶打印喷头8通过滑块7滑动连接在所述x轴导轨3上，所述x轴步进电机6驱动所述气溶胶打印喷头8沿x轴导轨3移动。
45.所述z轴传动机构包括z轴导轨5和z轴步进电机14，所述z轴步进电机14设置在所述z轴导轨5一侧，所述x轴导轨3的两端均安装有滚动轴承4，所述滚动轴承4与所述z轴导轨5滚动连接，所述z轴步进电机14驱动所述x轴导轨3沿z轴导轨5移动。
46.y轴传动机构包括y轴导轨9、支撑块23、y轴步进电机11和链条链轮机构12，所述u形支撑座10安装在所述支撑块23上，所述u形支撑座10的两端滑动设置在所述y轴导轨9上，所述y轴步进电机11安装在所述支撑块23的顶部，并通过链条链轮机构12驱动u形支撑座10沿y轴导轨9移动。y轴导轨9上方接有u形支撑座10，打印底座前后两个y轴步进电机11控制两侧链条链轮机构12带动打印底部框架13在y轴方向前后移动；z轴导轨5位于打印底部框架13的两侧，每个导轨上接一个控制z轴导轨5运动的z轴步进电机14，使气溶胶打印喷头8所在滑块7沿z轴方向上下移动。
47.所述a轴传动机构包括a轴步进电机16和齿轮组17，所述u形支撑座10的顶部的两端均安装有所述a轴步进电机16，所述a轴步进电机16的输出端通过齿轮组17与所述翻转台15传动连接，驱动翻转台15前后摆动，以此来使翻转台15上方打印平台20达到摆动的效果。
48.所述c轴传动机构包括c轴步进电机18和蜗轮蜗杆传动机构19，所述c轴步进电机18和所述蜗轮蜗杆传动机构19均安装在所述翻转台15上，c轴步进电机18通过所述蜗轮蜗杆传动机构19与所述打印平台20传动连接，驱动所述打印平台20沿水平方向旋转。通过a轴传动机构与c轴传动机构的配合，来实现打印平台20的摆动旋转，完成非平面的打印。
49.a轴模块的u形支撑座10位于y轴导轨9上，通过前后两个y轴步进电机11控制链条链轮机构12来实现打印平台20在y轴方向的前后移动。通过x轴、y轴、z轴、a轴与c轴的共同控制，来达到复杂曲面打印的目的。
50.所述打印供料装置ⅲ包括氮气罐21和雾化装置，所述氮气罐21和所述雾化装置均通过气体导管22与所述气溶胶打印喷头8相连通，气溶胶打印喷头8的内部有一层鞘气环
绕，达到压缩打印墨水流束与防止墨水与喷头内壁接触堵塞喷头的作用。氮气罐21和雾化装置向连通，且所述氮气罐21与所述气溶胶打印喷头8连通的气体导管22以及氮气罐21与所述雾化装置连通的气体导管22上均安装有限压阀24。其中雾化装置根据打印墨水的用量以及墨水的性质选择气动雾化器1和超声雾化器2两种不同的雾化装置，通过雾化将需打印的金属墨水雾化成气溶胶颗粒，运输到打印装置中。打印供料装置ⅲ中的氮气罐21负责通过气体导管22向气动雾化器1提供形成雾化颗粒过程所需的氮气，以及气溶胶打印喷头8内部所需的鞘气，氮气罐21所连接的气体导管22上安装有限压阀24，可以用来调节输出气体压力的大小。
51.气溶胶打印喷头8通过两根气体导管22连接到雾化装置与氮气罐21，其中连接到氮气罐21是为了喷头提供喷头内部所需的鞘气，达到压缩气溶胶流束与防止与内壁接触的作用，其中连接到雾化装置是为了提供打印所需的雾化后的打印墨水，根据墨水的用量以及墨水的性质选择气动雾化器1与超声雾化器2，提高了打印的效率与灵活性。
52.请参照图5，本实施例提供了基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置打印复杂曲面结构时的状态，如图5所示基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置正在打印复杂曲面结构。
53.在本实施例中，当需打印的微纳电子器件具有曲面结构时，打印系统按照提前规划好的路径，控制各轴移动，x轴、z轴相互配合控制气溶胶打印喷头8按规定的方向移动，同时y轴、a轴、c轴相互配合控制打印平台20移动、转动、旋转，从而使打印系统打印出电脑输入的预先设计好的曲面结构。
54.本发明还提供了一种基于微纳电子制造的复杂曲面的成形方法，包括如下步骤：
55.步骤1：切片及代码优化：设置打印参数，并将一个预设微纳电子器件的三维模型进行切片，得到打印代码；通过对打印代码进行优化，使气溶胶打印喷射气溶胶速度与移动速度匹配；
56.步骤2：打印准备：连接好复杂曲面打印装置，向雾化装置填充好所需雾化的墨水；
57.步骤3：打印实施：控制系统先驱使x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机、a轴步进电机、c轴步进电机带动相应的运动周回到初始位置，再根据优化后的打印代码使x轴步进电机、y轴步进电机、z轴步进电机、a轴步进电机、c轴步进电机按照程序轨迹，进行微纳电子器件的复杂曲面增材制造。
58.本发明提出了一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置主要实现气溶胶打印技术下微纳电子器件复杂曲面的打印，提高了气溶胶喷射打印在微纳电子制造领域的应用范围，同时提高了复杂曲面打印的打印精度。本发明基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置与其他五轴打印装置相比，采用气溶胶喷射打印技术，有效地提高了打印的精度与打印效率，并且可以有效的防止气溶胶打印喷头堵塞。本发明基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置的打印机结构稳定且无需模具打印，提高了打印效率且降低了打印成本。
59.为了实现气溶胶打印技术下微纳电子器件复杂曲面的打印以及解决其他五轴曲面打印所带来的打印精度低等问题，本发明提供了一种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置，该五轴成形装置在x轴、y轴、z轴的基础上增加了翻转轴a轴以及旋转轴c轴，其中三轴平台x轴、y轴、z轴可使气溶胶打印喷头与打印平台在平面方向移动，a轴可带动打印平台沿x轴方向两侧来回摆动，c轴位于a轴上控制打印平台的旋转，从而完成气溶胶打印技术下微
纳电子器件复杂曲面的打印，降低了打印成本且打印方法简便易行。此外，该种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置的雾化装置设有超声雾化器和气动雾化器两种，可根据打印墨水的用量以及墨水性质来决定使用哪种雾化装置，提高了打印系统的灵活性。
60.本发明在常规三维打印系统的x轴、y轴与z轴三轴平台的基础上，添加了a轴翻转轴与c轴旋转轴组成五轴成形装置，实现基于微纳电子制造的气溶胶喷射打印技术下的复杂曲面打印。这种基于微纳电子制造的复杂曲面打印装置，不仅能实现气溶胶打印技术下微纳电子器件复杂曲面的打印，还可以解决其他五轴曲面打印所带来的打印精度低等问题。
61.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。