共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统及方法与流程

本发明属于3d打印技术领域，尤其涉及一种共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统及方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：3d打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来。数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造变得快速简捷。随着材料科学、激光技术、制造科学和信息技术等有关3d打印技术的发展，3d打印系统越来越完善。在导电线的打印技术中，导电材料的打印方式、固化方式等都对整个系统有着重要的影响。导电线的打印技术主要考虑两个问题：一是尽量提高导电线的导电率；二是在任何基底上快速打印出电子线路。

而打印完成的导电图形需要进行热烧结固化的工艺才能使其表现出所需要的导电性能及对基材附着力。目前用来固化的方法有整体加热如烤箱加热法和微波固化，烤箱加热需要在200度的温度下持续15分钟的时间可以体现出较好的导电性能，这样使得仅有能长时间耐度高温的材料才能作为导电图形的基材，一些具有较好适合介电常数等参数的材料由于不耐高温无法作为天线的基材，微波固化方法可以在较低温度下对导电图形进行固化，但是固化深度有限，不适用较厚的导电图形。局部固化有激光固化，使用激光对导电图形进行点扫描，固化时间取决于导电图形面积，固化效率低，精度差。而闪光固化即使用高功率脉冲氙灯在1到2ms内释放1000j到2000j的能量用于固化导电图形，短时间操作使得固化过程更为安全，危险性低于连续光源，且有效提升固化烧结效率，且由于固化时间短，温度上升小，一些耐热性差的材料可以作为基板打印导电图形。但是如果功率控制不好将会损坏导电图形。所以在目前导电图形中，需要一种打印速度快、效率高、低温、环境简单且打印质量、导电率较高的方法，同时在固化过程需要对烧结程度实时监控，避免烧结不完全和过度烧结的情况。

综上所述，现有技术存在的问题是：目前的导电线的打印技存在处理时间长，打印时间较长，闪光烧结效果不稳定，极易出现烧结不完全和过度烧结。

解决上述技术问题的难度和意义：

使用闪光烧结需要使用2kw到3kw的脉冲光源在1ms到2ms释放2000j到3000j的能量，一旦烧结参数配置不合理，过高的功率极易在短时间内将导电图形表面破坏，而现有技术中只能通过生产前进行多次试验，获得较为可靠地烧结参数，而无法对烧结程度进行实时监控，无法做到实时获得烧结成都数据并进行实时调节烧结参数。由于烧结时间段，周边环境的微小变化都会影响最终烧结效果，导致同等烧结参数下烧结出来的产品导电率参差不齐。

而如果能够实现烧结程度的实时控制，就可以根据烧结情况对烧结参数进行实时控制，就可以保证再不出现破坏导电图形表面的情况下，获得符合要求的功率，且最终获得产品导电性能也会较为一致。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统及方法。

本发明是这样实现的，一种共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统，所述共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统包括：工作台；

安装在工作台上的五轴联动打印模块和与五轴联动打印模块相连接的闭环闪光烧结模块、冷却模块。

五轴联动打印模块通过控制x轴、y轴、z轴、旋转轴和俯仰轴实现在非展开曲面上打印共性导电图形。闭环闪光烧结模块在完成导电图形打印后通过光敏传感器采集红外光源照射到导电图形后反射回来的数据用于判断烧结程度并根据烧结程度调整下一次烧结数据，实现闭环闪光烧结功能。冷却模块用于在打印过程中保护喷头中的纳米银墨水不被基板预热装置固化，堵塞喷头。

进一步，所述五轴联动打印模块包括用于控制喷墨位置的五轴联动组、用于实现喷墨功能的喷墨供墨组、用于放置被打印模型的打印平台和数控系统。

进一步，所述五轴联动组包括用于控制喷墨供墨组的喷墨位置分别向x、y、z各方向移动的三轴组：x轴组、y轴组、z轴组，和用于控制打印平台移动的两轴组；

c轴组和a轴组；x轴组、y轴组、z轴组安装在工作台的上部空间且相互连接，c轴组和a轴组由下而上依次安装在工作台上，打印平台安装在a轴组上；数控系统与五轴联动组和打印喷头联合工作，打印导电图形。

进一步，所述y轴组包括y轴精密丝杆、y轴导轨、y轴电机、y轴滑板，y轴精密丝杆与y轴导轨沿y轴方向平行安装在工作台上，y轴精密丝杆一端设有y轴电机，y轴滑板穿安装在y轴精密丝杆和y轴导轨上，y轴精密丝杆与y轴滑板螺纹连接，y轴电机带动y轴精密丝杆旋转，y轴精密丝杆带动y轴滑板沿y轴导轨做直线运动；

x轴组包括x轴精密丝杆、x轴导轨、x轴电机、x轴滑板，x轴精密丝杆的一端安装在y轴滑板的上部，x轴精密丝杆与x轴导轨沿x轴平行设置，x轴滑板穿安装在x轴精密丝杆与x轴导轨上，x轴精密丝杆与x轴滑板螺纹连接，x轴精密丝杆一端与x轴电机的输出轴相连，x轴电机带动x轴精密丝杆旋转，x轴精密丝杆带动x轴滑板沿x轴导轨做直线运动；

z轴组包括z轴精密丝杆、z轴导轨、z轴电机、z轴滑板；z轴精密丝杆的一端安装在x轴滑板上，z轴精密丝杆与z轴导轨沿z轴平行设置，z轴滑板穿安装在z轴精密丝杆与z轴导轨上，z轴精密丝杆与z轴滑板螺纹连接，z轴精密丝杆一端与z轴电机的输出轴相连，z轴电机带动z轴精密丝杆旋转，z轴精密丝杆带动z轴滑板沿z轴导轨做直线运动。

进一步，所述c轴组包括c轴电机和c轴转台，c电机固定在工作台上，c轴转台安装在c轴电机上，且c轴转台与c轴电机的转轴连接，c轴电机带动c轴转台沿c轴方向转动；

a轴组包括a轴电机和a轴摆头，a电机固定在c轴转台上，a轴摆头安装在a轴电机上，a轴摆头与a轴电机的转轴连接，a轴电机带动a轴摆头沿a轴方向摆动。

进一步，所述闭环闪光烧结模块包括储能充电模块、闪光灯、红外光发射器和光敏传感器；

闪光灯安装在工作台上，闪光灯与打印喷头并排安装，红外光发射器和光敏传感器对称安装在闪光灯下面；控制板卡与储能充电模块相连，用于控制闪光灯的充电、放点以及放电功率；放电产生高能光线用于固化烧结导电图形，使用红外光发射器发射红外光照射到导电图形上，反射到光敏传感器，根据光敏传感器读取的数值分析后，调整下一次闪光烧结参数，实现烧结程度的实时监控。

进一步，所述冷却模块包括半导体制冷模块、水箱和冷却水导管；

半导体制冷模块在打印喷头外面用于喷头制冷，半导体制冷模块、水箱和冷却水导管通过橡胶水管连接形成水循环实现冷却打印喷头的作用。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统的闭环光子烧结控制方法，所述闭环光子烧结控制方法包括以下步骤：

步骤一，根据切片处理分析得到的参数控制五轴联动机构打印导电图形；

步骤二，当导电图形打印完后使用闭环闪光烧结模块，固化导电墨水，最后形成电子线路。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统的共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制方法，所述共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制方法包括以下步骤：

步骤一，将被打印的非展开曲面导电模型固定于打印平台上，分析非展开曲面导电模型，并对被打印模型进行切片处理，将打印模型切割成多个小平面；

步骤二，根据切片处理后的模型，确定打印位置和五轴联动机构的运行轨迹数据；

步骤三，控制五轴联动机构工作，使打印喷头打印方向与被打印面的法线方向重合，并使打印喷头在曲面上进行打印工作；

步骤四，当导电图形完成打印时，移动闪光灯至被打印的位置，闪光灯放电进行第一次烧结，然后开启红外光发射器释放红外光线照射到导电图形后反射回光敏传感器；

步骤五，光敏传感器读取反射的红外光线强度值，并根据数值分析烧结程度，如果烧结程度距离理想状态较远，则增加烧结功率继续进行烧结，如果烧结程度距离理想状态较近，则减小烧结功率继续进行烧结或停止烧结；

步骤六，重复步骤五直到烧结程度达到或者接近理想烧结状态；

步骤七，最终获得导电图形。

本发明的另一目的在于提供一种包含所述共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统的3d打印控制系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：传统曲面打印中喷头在基板上打印时，工作面经常处于倾斜状态，而纳米银导电墨水粘度较低，极易在倾斜面上流动降低边界精度。而在本发明中，运用五轴联动机构，可以实时将共形导电图形的打印区域保持为水平状态，防止导电墨水由于倾斜产生流动现象，提高打印图形边界整齐度，而当前曲面打印使用曲面与喷头随动的方法，使得墨滴与墨滴之间刚刚形成统一的液面后就因为打印平台转动使液面被破坏，影响打印图形的边界整齐度，降低了打印质量。高功率脉冲氙灯在1到2ms内释放1000j到2000j的能量用于固化导电图形，短时间操作使得固化过程更为安全，危险性低于连续光源，且能有效提升固化烧结效率，且由于固化时间短，温度上升小，一些耐热性差的材料可以作为基板打印导电图形。

使用闪光烧结需要使用2kw到3kw的脉冲光源在1ms到2ms释放2000j到3000j的能量，一旦烧结参数配置不合理，过高的功率极易在短时间内将导电图形表面破坏，而现有技术中只能通过生产前进行多次试验，获得较为可靠地烧结参数，而无法对烧结程度进行实时监控，无法做到实时获得烧结程度数据并进行实时调节烧结参数。由于烧结时间短，周边环境的微小变化都会影响最终烧结效果，导致同等烧结参数下烧结出来的产品导电率参差不齐。而在本发明中，使用红外光发射器发射红外光照射到导电图形上，反射到光敏传感器，根据光敏传感器读取的数值分析后，调整下一次闪光烧结参数，实现了烧结程度的实时监控，有效防止不完全烧结和过度烧结现象的发生。使用波长为890nm的红外光源作为监控测量光源，并使用相应的红外光敏传感器进行检测。光线波段在可见光范围外，有效防止外界可见光对实验的影响，提高了烧结监控精度。

本发明采用x轴组、y轴组、z轴组来调整打印喷头的喷墨位置，采用c轴组和a轴组来调整打印平台的位置，可实现在非展开曲面进行自由的微滴喷射打印，使用更加方便；利用五轴联动机构在非展开曲面上打印导电墨水，再用闭环闪光烧结导电墨水，最后形成电子线路，能有效解决打印时导电墨水固化慢、墨滴毛细渗透导致边界不齐和烧结程度难于控制等问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统结构示意图；

图中：1、工作台；2、x轴组；2-1、x轴精密丝杆；2-2、x轴导轨；2-3、x轴电机；2-4、x轴滑板；3、y轴组；3-1、y轴精密丝杆；3-2、y轴导轨；3-3、y轴电机；3-4、y轴滑板；4、z轴组；4-1、z轴精密丝杆；4-2、z轴导轨；4-3、z轴电机；4-4、z轴滑板；5、c轴组；5-1、c轴电机；5-2、c轴转台；6、a轴组；6-1、a轴电机；6-2、a轴摆头；7、打印平台；8、打印喷头；9、闭环闪光烧结模块；9-1、闪光灯；9-2、红外光发射器；9-3、红外光线；9-4、闪光烧结光线；9-5、光敏传感器；9-6、导电图形；10、半导体制冷模块；11、温度控制器；12、储能充电模块；13、水箱。

图2是本发明实施例提供的共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制方法流程图。

图3是本发明实施例提供的闭环闪光烧结方法示意图。

图4是本发明中不同烧结次数下电阻率与光敏传感器数值关系示意图。

图5是本发明光敏传感器数值与电阻率关系示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对目前的导电线的打印技存在处理时间长，打印时间较长，闪光烧结效果不稳定，极易出现烧结不完全和过度烧结的问题；本发明能有效解决打印时导电墨水固化慢、墨滴毛细渗透导致边界不齐和烧结程度难于控制等问题。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制系统包括：工作台1、安装在工作台1上的五轴联动打印模块和与五轴联动打印模块相连接的闭环闪光烧结模块、冷却模块。

五轴联动打印模块包括用于控制喷墨位置的五轴联动组、用于实现喷墨功能的喷墨供墨组、用于放置被打印模型的打印平台和数控系统；五轴联动组包括用于控制喷墨供墨组的喷墨位置分别向x、y、z各方向移动的三轴组：x轴组2、y轴组3、z轴组4，和使非展开曲面做旋转运动的a轴组和c轴组：c轴组5和a轴组6；x轴组2、y轴组3、z轴组4安装在工作台1的上部空间且相互连接，c轴组5和a轴组6由下而上依次安装在工作台1上，打印平台7安装在a轴组6上；数控系统与五轴联动组和打印喷头8联合工作，打印导电图形。

闭环闪光烧结模块包括储能充电模块12、闪光灯9-1、红外光发射器9-2和光敏传感器9-5；闪光灯9-1安装在工作台1上，闪光灯9-1与打印喷头8并排安装，红外光发射器9-2和光敏传感器9-5对称安装在闪光灯下面；；控制板卡与储能充电模块12相连，用于控制闪光灯9-1的充电、放点以及放电功率；放电产生高能光线用于固化烧结导电图形，使用红外光发射器9-2发射红外光9-3照射到导电图形9-6上，反射到光敏传感器9-5，根据光敏传感器9-5读取的数值分析后，调整下一次闪光烧结参数，实现了烧结成都的实时监控。

冷却模块包括半导体制冷模块10、水箱13和冷却水导管；半导体制冷模块10在打印喷头8外面用于喷头制冷，半导体制冷模块10、水箱13和冷却水导管通过橡胶水管连接形成水循环实现冷却打印喷头8的作用。

其中，y轴组3包括y轴精密丝杆3-1、y轴导轨3-2、y轴电机3-3、y轴滑板3-4，y轴精密丝杆3-1与y轴导轨3-2沿y轴方向平行安装在工作台1上，所y轴精密丝杆3-1一端设有y轴电机3-3，y轴滑板3-4穿安装在y轴精密丝杆3-1和y轴导轨3-2上，y轴精密丝杆3-1与y轴滑板3-4螺纹连接，y轴电机3-3带动y轴精密丝杆3-1旋转,y轴精密丝杆3-1带动y轴滑板3-4沿y轴导轨3-2做直线运动；x轴组2包括x轴精密丝杆2-1、x轴导轨2-2、x轴电机2-3、x轴滑板2-4，x轴精密丝杆2-1的一端安装在y轴滑板3-4的上部，x轴精密丝杆2-1与x轴导轨2-2沿x轴平行设置，x轴滑板2-4穿安装在x轴精密丝杆2-1与x轴导轨2-2上，x轴精密丝杆2-1与x轴滑板2-4螺纹连接，x轴精密丝杆2-1一端与x轴电机2-3的输出轴相连，x轴电机2-3带动x轴精密丝杆2-1旋转，x轴精密丝杆2-1带动x轴滑板2-4沿x轴导轨2-2做直线运动；z轴组4包括z轴精密丝杆4-1、z轴导轨4-2、z轴电机4-3、z轴滑板4-4；z轴精密丝杆4-1的一端安装在x轴滑板2-4上，z轴精密丝杆4-1与z轴导轨4-2沿z轴平行设置，z轴滑板4-4穿安装在z轴精密丝杆4-1与z轴导轨4-2上，z轴精密丝杆4-1与z轴滑板4-4螺纹连接，z轴精密丝杆4-1一端与z轴电机4-3的输出轴相连，z轴电机4-3带动z轴精密丝杆4-1旋转，z轴精密丝杆4-1带动z轴滑板4-4沿z轴导轨4-2做直线运动。

c轴组5包括c轴电机5-1和c轴转台5-2，c电机5-1固定在工作台上，c轴转台5-2安装在c轴电机5-1上，且c轴转台5-2与c轴电机5-1的转轴连接，c轴电机5-1带动c轴转台5-2沿c轴方向转动；a轴组6包括a轴电机6-1和a轴摆头6-2，a电机6-1固定在c轴转台5-2上，a轴摆头6-2安装在a轴电机6-1上，a轴摆头6-2与a轴电机6-1的转轴连接，a轴电机6-1带动a轴摆头6-2沿a轴方向摆动。

如图2所示，本发明实施例提供的共形导电图形打印及闭环光子烧结一体方法包括以下步骤：

步骤一，根据切片处理分析得到的参数控制五轴联动机构打印导电图形；

步骤二，当导电图形打印完后使用闭环闪光烧结模块，固化导电墨水，最后形成电子线路。

如图3所示，本发明实施例提供的共形导电图形打印及闭环光子烧结一体控制方法包括以下步骤：

s301：将被打印的非展开曲面导电模型固定于打印平台上，分析非展开曲面导电模型，并对被打印模型进行切片处理，将打印模型切割成多个小平面；

s302：根据切片处理后的模型，确定打印位置和五轴联动机构的运行轨迹数据；

s303：控制五轴联动机构工作，使打印喷头打印方向与被打印面的法线方向重合，并使打印喷头在曲面上进行打印工作；

s304：当导电图形完成打印时，移动闪光灯至被打印的位置，闪光灯放电进行第一次烧结，然后开启红外光发射器释放红外光线照射到导电图形后反射回光敏传感器；

s305：光敏传感器读取反射的红外光线强度值，并根据数值分析烧结程度，如果烧结程度距离理想状态较远，则增加烧结功率继续进行烧结，如果烧结程度距离理想状态较近，则减小烧结功率继续进行烧结或停止烧结；

s306：重复步骤s305直到烧结程度达到或者接近理想烧结状态；

s307：最终获得导电图形。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

图4中可以看到随着烧结次数的增加电阻率随之降低，这是由于烧结发射的能量促使纳米银梨子融化并相互连接形成烧结颈，而此时可以看出有光敏传感器获得的数值也开始增加，是因为完成打印的导电图形表面由于未经过烧结，在完成溶剂挥发后是随机堆积的，导致表面光滑度差，而随着烧结开始，由于马兰戈尼效应的产生，粒子连接到一起并向着表面能降低的方向发展，也具有铺平粒子的效果，提升表面光滑度，将更多的反射光线照射到感敏传感器中，使得传感器数值增加。但是当继续继续进行烧结时，由于过度烧结破坏了导电图形表面，导致表面粗糙度升高，光敏数值降低，同时，电阻率也跟随增加。由图5中可以看出电阻率和光敏传感器数值是反比例关系，根据这一关系可以进行烧结程度的监控，通过对上一次烧结后导电图形光敏数值进行分析后，来调整下一次的烧结参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。