基于五軸平臺(tái)的非展開曲面導(dǎo)電圖形3D打印方法

趙家勇 劉大川 趙鵬兵 黃進(jìn) 謝鵬志 宮劍 劉朋朋

摘 要： 非展開曲面導(dǎo)電圖形是在非展開曲面上形成的具有導(dǎo)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(chǎn)品制造中的關(guān)鍵步驟之一。傳統(tǒng)上普遍采用先制作平面導(dǎo)電圖形再拼接的方法，存在成形精度低、導(dǎo)電性能差等缺陷，為此，提出一種基于五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)和噴印技術(shù)的非展開曲面導(dǎo)電圖形三維打印方法，開發(fā)了相應(yīng)的工藝并研制了裝備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于該方法制備的非展開曲面導(dǎo)電圖形的成形精度可達(dá)±0.1 mm、厚度均勻性誤差小于4%、導(dǎo)電率可達(dá)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(shù)途徑。

關(guān)鍵詞： 非展開曲面； 導(dǎo)電圖形； 五軸聯(lián)動(dòng)； 噴印技術(shù)； 三維打印方法； 微帶天線； 頻率選擇表面

中圖分類號(hào)： TN917.8?34； TN605 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dǎo)電圖形是在非展開曲面上形成的具有導(dǎo)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(chǎn)品制造中的關(guān)鍵步驟之一，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。在三維結(jié)構(gòu)表面制備導(dǎo)電圖形，不僅可以提高空間利用率，還可以進(jìn)一步減小體積，但要求導(dǎo)電圖形能與基體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高度融合和集成，且要求導(dǎo)電圖形具有良好的電磁性能。傳統(tǒng)的制造方式多采用先在平面上制備導(dǎo)電圖形，然后通過轉(zhuǎn)印等工藝再將導(dǎo)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(dǎo)電圖形[3]，但這些方法都存在工藝復(fù)雜、耗時(shí)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(dǎo)電圖形制備工藝和裝備顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)表面制備導(dǎo)電圖形。比如Nayeri P等人在三維結(jié)構(gòu)表面，通過濺射100 nm的金膜構(gòu)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(duì)環(huán)境要求高[4]。文獻(xiàn)[5]采用導(dǎo)電氣霧漆對(duì)三維天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬化，該工藝制備時(shí)間較長。Lu Yanfeng等人運(yùn)用導(dǎo)線直寫技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維電子線路的搭建，但成形精度低[6]。文獻(xiàn)[7]首先在柔性基材上制備導(dǎo)電線路，然后通過折疊的方式形成三維結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)還是平面印刷。文獻(xiàn)[8]使用全息光刻技術(shù)在曲面表面制備一個(gè)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(xué)使用脈沖激光化學(xué)鍍的方法在三維塑料表面實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電線路的制備，但存在工藝復(fù)雜等缺陷[9]。

為此，本文提出一種基于五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)和噴印技術(shù)的非展開曲面導(dǎo)電圖形制備工藝和裝備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可有效地在非展開曲面上制備高導(dǎo)電率、高精度的導(dǎo)電圖形。

1 非展開曲面導(dǎo)電圖形噴印制備工藝

噴印技術(shù)具有制造過程簡單、無需掩模、環(huán)境要求低等特點(diǎn)，而且是一種非接觸式復(fù)制印刷，既可以在平面也可以在非平面上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電圖形圖案化，已應(yīng)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(duì)平面導(dǎo)電圖形的制備，無法高精度地實(shí)現(xiàn)非展開曲面導(dǎo)電圖形。為此，本文提出一種基于五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)和噴印技術(shù)的非展開曲面導(dǎo)電圖形打印工藝，具體可分為三個(gè)步驟，如圖1所示。

1） 建立打印件模型，打印面片姿態(tài)解算

因?yàn)閷?dǎo)電墨水是一種低黏度液體，直接打印在曲面上會(huì)使液體流動(dòng)，從而影響打印精度和固化質(zhì)量，那么每次在進(jìn)行噴墨打印前，就要先將被打印面旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，然后進(jìn)行平面打印，所以首先建立打印件的CAD模型，再將模型導(dǎo)入自行設(shè)計(jì)的切片軟件中進(jìn)行面片劃分處理，如圖2所示。該軟件會(huì)將曲面模型劃分為許多類平面的小三角形面片，接著根據(jù)小面片的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行姿態(tài)結(jié)算，從而獲取小面片的旋轉(zhuǎn)角度，最后生成五軸平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)指令代碼。

2） 基材表面處理

由于機(jī)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(shè)備上。

3） 導(dǎo)電圖形的噴印和固化

上位機(jī)生成的指令代碼發(fā)到打印設(shè)備中后，五軸平臺(tái)會(huì)將第一個(gè)小面片旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，然后進(jìn)行平面打印。一個(gè)小面片打印完成后，為了避免液體的流動(dòng)，激光會(huì)將剛打印完的片面迅速固化，且不會(huì)損壞如光敏樹脂等低熔點(diǎn)基體材料。當(dāng)前的面片激光固化完成后，再將另一個(gè)小面片旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，然后分別進(jìn)行打印和固化，直至完成整個(gè)導(dǎo)電圖形的制備。

2 非展開曲面導(dǎo)電圖形打印設(shè)備

為了驗(yàn)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(dǎo)電圖形三維打印裝備，該設(shè)備主要由五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)、噴墨打印系統(tǒng)、激光固化系統(tǒng)組成，其構(gòu)成關(guān)系如圖3所示。

五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)用于將曲面上的被打印面旋轉(zhuǎn)至水平狀態(tài)，并且讓噴頭始終平行于被打印面的法線方向，從而進(jìn)行平面打印。噴墨打印系統(tǒng)主要由壓電式噴墨打印頭（PH?04a microfab technologies）、負(fù)壓控制系統(tǒng)、噴頭驅(qū)動(dòng)電路、液滴檢測系統(tǒng)組成。

其中負(fù)壓控制系統(tǒng)用于給噴頭提供負(fù)壓，噴頭驅(qū)動(dòng)電路用于控制噴頭驅(qū)動(dòng)脈沖的波形、脈沖電壓幅值和脈沖頻率。液滴監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)主要由一臺(tái)半導(dǎo)體泵浦激光器（5 W，532 nm）和三個(gè)反射鏡組成。

3 實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果

為了驗(yàn)證該方法的有效性，本文在光固化樹脂材質(zhì)的球面上制備了如圖4所示的十字結(jié)構(gòu)頻率選擇表面樣件。一臺(tái)雙模式三維輪廓儀/臺(tái)階儀（UP?WLI+AFM，Rtec）用于測量導(dǎo)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(shù)制造，基體表面呈現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電圖形的導(dǎo)電率，經(jīng)測量，使用該方法和裝備打印的導(dǎo)電圖形導(dǎo)電率達(dá)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(jìn)而驗(yàn)證了該方法的有效性。

4 結(jié) 論

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

參考文獻(xiàn)

[1] HARROP P. The rise of structural electronics [J]. Smt surface mount technology， 2015， 30（1）： 12?20.

[2] CARLSON A， BOWEN A M， HUANG Y G， et al. Transfer printing techniques for materials assembly and micro/nanodevice fabrication [J]. Advanced materials， 2012， 24（39）： 5284?5318.

[3] WANG L， GUO E， LIU Z， et al. High?performance nitride vertical light?emitting diodes based on Cu electroplating technical route [J]. IEEE transactions on electron devices， 2016， 63（3）： 892?902.

[4] NAYERI P， LIANG M， SABORY?GARCIA R A， et al. 3D Printed dielectric reflect arrays： low?cost high?gain antennas at sub?millimeter waves [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2014， 62（4）： 2000?2008.

[5] CHIEH J， DICK B， LOUI S， et al. Development of a Ku?band corrugated conical horn using 3?D print technology [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2014， 13（13）： 201?204.

[6] LU Y， VATANI M， CHOI J W. Direct?write/cure conductive polymer nanocomposites for 3D structural electronics [J]. Journal of mechanical science &； technology， 2013， 27（10）： 2929?2934.

[7] FAROOQUI M F， SHAMIM A. An inkjet printed near isotropic 3?D antenna with embedded electronics for wireless sensor applications [C]// Proceedings of 2014 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. [S.l.]： IEEE， 2014： 326?327.

[8] TORIZGARCIA J J， COWLING J J， WILLIAMS G L， et al. Fabrication of a 3D electrically small antenna using holographic photolithography [J]. Journal of micromechanics &； microengineering， 2013， 23（5）： 055010.

[9] 張玉娜.模塑材料表面導(dǎo)電線路的直寫技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

ZHANG Yuna. Research on the direct writing technique of the conductive line on the surface of molded material [D]. Wuhan： Huazhong University of Science and Technology， 2012.

[10] KAO H L， YEH C S， ZHANG X Y， et al. Inkjet printed series?fed two?dipole antenna comprising a balun filter on liquid crystal polymer substrate [J]. IEEE transactions on components packaging &； manufacturing technology， 2017， 4（7）： 1228?1236.

[11] NING H， CHEN J， FANG Z， et al. Direct inkjet printing of silver source/drain electrodes on an amorphous InGaZnO layer for thin?film transistors [J]. Materials， 2017， 10（1）： 51.

[12] MAISCH P， KAI C T， LUCERA L， et al. Inkjet printed silver nanowire percolation networks as electrodes for highly efficient semitransparent organic solar cells [J]. Organic electronics， 2016， 38： 139?143.