基于五軸平臺的非展開曲面導電圖形3D打印方法

趙家勇 劉大川 趙鵬兵 黃進 謝鵬志 宮劍 劉朋朋

摘 要： 非展開曲面導電圖形是在非展開曲面上形成的具有導電特性的特定圖形，其制備是共形天線、頻率選擇表面、可穿戴電子產品制造中的關鍵步驟之一。傳統上普遍采用先制作平面導電圖形再拼接的方法，存在成形精度低、導電性能差等缺陷，為此，提出一種基于五軸聯動平臺和噴印技術的非展開曲面導電圖形三維打印方法，開發了相應的工藝并研制了裝備。實驗結果表明，基于該方法制備的非展開曲面導電圖形的成形精度可達±0.1 mm、厚度均勻性誤差小于4%、導電率可達1×107 S/m，為高性能共形微帶天線、頻率選擇表面的研制提供了一種有效的技術途徑。

關鍵詞： 非展開曲面； 導電圖形； 五軸聯動； 噴印技術； 三維打印方法； 微帶天線； 頻率選擇表面

中圖分類號： TN917.8?34； TN605 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）08?0010?03

Abstract： The non?expanded curved surface conductive graphics is a specific graphics formed on the non?expanded curved surface with conductive properties， whose preparation is one of the key steps of manufacturing conformal antennas， frequency selective surfaces and wearable electronic products. Traditionally， the method of first making a conductive plane graph and then splicing is universally adopted， but it has some defects such as low forming precision and poor electrical conductivity. Therefore， a 3D printing method based on five?axis linkage platform and jet printing technology is proposed for non?expanded curved surface conductive graphics. The corresponding processes and equipment were developed. The experimental results show that the forming precision of non?expanded curved surface conductive graphics prepared based on the proposed method is ±0.1 mm， the thickness uniformity error is less than 4%， and the conductivity can be up to 1×107 S/m， which provides an effective technical way for manufacturing conformal microstrip antennas with good performance and frequency selective surfaces.

Keywords： non?expanded curved surface； conductive graphics； five?axis linkage； jet printing technology； 3D printing method； microstrip antenna； frequency selective surface

0 引 言

非展開曲面導電圖形是在非展開曲面上形成的具有導電特性的特定圖形，其制備是共形天線、頻率選擇表面、可穿戴電子產品制造中的關鍵步驟之一，隨著電子技術的快速發展，將會得到越來越廣泛的應用[1]。在三維結構表面制備導電圖形，不僅可以提高空間利用率，還可以進一步減小體積，但要求導電圖形能與基體結構實現高度融合和集成，且要求導電圖形具有良好的電磁性能。傳統的制造方式多采用先在平面上制備導電圖形，然后通過轉印等工藝再將導電圖形印制在三維基體表面之上[2]，或者使用電鍍等方式直接在基體表面制備導電圖形[3]，但這些方法都存在工藝復雜、耗時長、成形精度差等缺陷。因此，研制一種高效可靠的非展開曲面導電圖形制備工藝和裝備顯得尤為重要。

近年來，國內外已經有學者實現在復雜三維結構表面制備導電圖形。比如Nayeri P等人在三維結構表面，通過濺射100 nm的金膜構成工作頻率為100 GHz的反射陣列天線，但濺射工藝成膜速率低，且對環境要求高[4]。文獻[5]采用導電氣霧漆對三維天線結構進行金屬化，該工藝制備時間較長。Lu Yanfeng等人運用導線直寫技術實現三維電子線路的搭建，但成形精度低[6]。文獻[7]首先在柔性基材上制備導電線路，然后通過折疊的方式形成三維結構，其實質還是平面印刷。文獻[8]使用全息光刻技術在曲面表面制備一個小型的共形天線，但光刻工藝成本高，只能制備小型圖案。華中科技大學使用脈沖激光化學鍍的方法在三維塑料表面實現導電線路的制備，但存在工藝復雜等缺陷[9]。

為此，本文提出一種基于五軸聯動平臺和噴印技術的非展開曲面導電圖形制備工藝和裝備。實驗結果表明，該方法可有效地在非展開曲面上制備高導電率、高精度的導電圖形。

1 非展開曲面導電圖形噴印制備工藝

噴印技術具有制造過程簡單、無需掩模、環境要求低等特點，而且是一種非接觸式復制印刷，既可以在平面也可以在非平面上實現導電圖形圖案化，已應用于微帶天線[10]、晶體管[11]、太陽能電池[12]等的制備。然而，已有的研究主要針對平面導電圖形的制備，無法高精度地實現非展開曲面導電圖形。為此，本文提出一種基于五軸聯動平臺和噴印技術的非展開曲面導電圖形打印工藝，具體可分為三個步驟，如圖1所示。

1） 建立打印件模型，打印面片姿態解算

因為導電墨水是一種低黏度液體，直接打印在曲面上會使液體流動，從而影響打印精度和固化質量，那么每次在進行噴墨打印前，就要先將被打印面旋轉至水平狀態，然后進行平面打印，所以首先建立打印件的CAD模型，再將模型導入自行設計的切片軟件中進行面片劃分處理，如圖2所示。該軟件會將曲面模型劃分為許多類平面的小三角形面片，接著根據小面片的三維坐標信息進行姿態結算，從而獲取小面片的旋轉角度，最后生成五軸平臺的運動指令代碼。

2） 基材表面處理

由于機加工或者3D打印的基材表面都比較粗糙，先分別使用1 000目，1 500目，2 000目砂紙拋光打磨基材表面，接著分別用酒精和蒸餾水清洗基材表面，待基材晾干后裝夾在打印設備上。

3） 導電圖形的噴印和固化

上位機生成的指令代碼發到打印設備中后，五軸平臺會將第一個小面片旋轉至水平狀態，然后進行平面打印。一個小面片打印完成后，為了避免液體的流動，激光會將剛打印完的片面迅速固化，且不會損壞如光敏樹脂等低熔點基體材料。當前的面片激光固化完成后，再將另一個小面片旋轉至水平狀態，然后分別進行打印和固化，直至完成整個導電圖形的制備。

2 非展開曲面導電圖形打印設備

為了驗證該工藝的有效性，自主研制了一種基于該工藝的非展開曲面導電圖形三維打印裝備，該設備主要由五軸聯動平臺、噴墨打印系統、激光固化系統組成，其構成關系如圖3所示。

五軸聯動平臺用于將曲面上的被打印面旋轉至水平狀態，并且讓噴頭始終平行于被打印面的法線方向，從而進行平面打印。噴墨打印系統主要由壓電式噴墨打印頭（PH?04a microfab technologies）、負壓控制系統、噴頭驅動電路、液滴檢測系統組成。

其中負壓控制系統用于給噴頭提供負壓，噴頭驅動電路用于控制噴頭驅動脈沖的波形、脈沖電壓幅值和脈沖頻率。液滴監測系統由高速CCD和閃頻控制器組成，用于觀察液滴形成過程和測量液滴形狀和尺寸。激光固化系統主要由一臺半導體泵浦激光器（5 W，532 nm）和三個反射鏡組成。

3 實驗及測試結果

為了驗證該方法的有效性，本文在光固化樹脂材質的球面上制備了如圖4所示的十字結構頻率選擇表面樣件。一臺雙模式三維輪廓儀/臺階儀（UP?WLI+AFM，Rtec）用于測量導電圖形的幾何形貌和厚度，但由于基體材料使用立體光固化（Stereo Lithography Appearance，SLA）技術制造，基體表面呈現出許多如圖5所示的溝壑狀紋理，溝壑最大高度差有13 μm，所以無法測量導電圖形厚度，因此在平面的玻璃基板使用相同的工藝制備了相同的圖形，測量導電圖形厚度為0.51 μm。最后通過四探針測試儀（Rts?9， 四探針科技）測量導電圖形的導電率，經測量，使用該方法和裝備打印的導電圖形導電率達到1×107 S/m，幾何尺寸誤差為±0.1 mm，薄膜厚度均勻性誤差小于4%，進而驗證了該方法的有效性。

4 結 論

本文提出一種基于五軸聯動平臺和噴印技術的非展開曲面導電圖形制備工藝和裝備，以解決傳統工藝在非展開曲面上制備導電圖形困難等問題。通過樣件的測量數據表明，本文提出的非展開曲面導電圖形制備方法可以制備出具有較好導電性、幾何精度和厚度均勻性的導電圖形，從而驗證了該方法的有效性。本研究成果可應用于如共形天線、頻率選擇表面、可穿戴電子等產品的制造中。

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