基于五轴平台的非展开曲面导电图形3D打印方法

赵家勇 刘大川 赵鹏兵 黄进 谢鹏志 宫剑 刘朋朋

摘 要： 非展开曲面导电图形是在非展开曲面上形成的具有导电特性的特定图形，其制备是共形天线、频率选择表面、可穿戴电子产品制造中的关键步骤之一。传统上普遍采用先制作平面导电图形再拼接的方法，存在成形精度低、导电性能差等缺陷，为此，提出一种基于五轴联动平台和喷印技术的非展开曲面导电图形三维打印方法，开发了相应的工艺并研制了装备。实验结果表明，基于该方法制备的非展开曲面导电图形的成形精度可达±0.1 mm、厚度均匀性误差小于4%、导电率可达1×107 S/m，为高性能共形微带天线、频率选择表面的研制提供了一种有效的技术途径。

关键词： 非展开曲面； 导电图形； 五轴联动； 喷印技术； 三维打印方法； 微带天线； 频率选择表面

中图分类号： TN917.8?34； TN605 文献标识码： A 文章编号： 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

非展开曲面导电图形是在非展开曲面上形成的具有导电特性的特定图形，其制备是共形天线、频率选择表面、可穿戴电子产品制造中的关键步骤之一，随着电子技术的快速发展，将会得到越来越广泛的应用[1]。在三维结构表面制备导电图形，不仅可以提高空间利用率，还可以进一步减小体积，但要求导电图形能与基体结构实现高度融合和集成，且要求导电图形具有良好的电磁性能。传统的制造方式多采用先在平面上制备导电图形，然后通过转印等工艺再将导电图形印制在三维基体表面之上[2]，或者使用电镀等方式直接在基体表面制备导电图形[3]，但这些方法都存在工艺复杂、耗时长、成形精度差等缺陷。因此，研制一种高效可靠的非展开曲面导电图形制备工艺和装备显得尤为重要。

近年来，国内外已经有学者实现在复杂三维结构表面制备导电图形。比如Nayeri P等人在三维结构表面，通过溅射100 nm的金膜构成工作频率为100 GHz的反射阵列天线，但溅射工艺成膜速率低，且对环境要求高[4]。文献[5]采用导电气雾漆对三维天线结构进行金属化，该工艺制备时间较长。Lu Yanfeng等人运用导线直写技术实现三维电子线路的搭建，但成形精度低[6]。文献[7]首先在柔性基材上制备导电线路，然后通过折叠的方式形成三维结构，其实质还是平面印刷。文献[8]使用全息光刻技术在曲面表面制备一个小型的共形天线，但光刻工艺成本高，只能制备小型图案。华中科技大学使用脉冲激光化学镀的方法在三维塑料表面实现导电线路的制备，但存在工艺复杂等缺陷[9]。

为此，本文提出一种基于五轴联动平台和喷印技术的非展开曲面导电图形制备工艺和装备。实验结果表明，该方法可有效地在非展开曲面上制备高导电率、高精度的导电图形。

1 非展开曲面导电图形喷印制备工艺

喷印技术具有制造过程简单、无需掩模、环境要求低等特点，而且是一种非接触式复制印刷，既可以在平面也可以在非平面上实现导电图形图案化，已应用于微带天线[10]、晶体管[11]、太阳能电池[12]等的制备。然而，已有的研究主要针对平面导电图形的制备，无法高精度地实现非展开曲面导电图形。为此，本文提出一种基于五轴联动平台和喷印技术的非展开曲面导电图形打印工艺，具体可分为三个步骤，如图1所示。

1） 建立打印件模型，打印面片姿态解算

因为导电墨水是一种低黏度液体，直接打印在曲面上会使液体流动，从而影响打印精度和固化质量，那么每次在进行喷墨打印前，就要先将被打印面旋转至水平状态，然后进行平面打印，所以首先建立打印件的CAD模型，再将模型导入自行设计的切片软件中进行面片划分处理，如图2所示。该软件会将曲面模型划分为许多类平面的小三角形面片，接着根据小面片的三维坐标信息进行姿态结算，从而获取小面片的旋转角度，最后生成五轴平台的运动指令代码。

2） 基材表面处理

由于机加工或者3D打印的基材表面都比较粗糙，先分别使用1 000目，1 500目，2 000目砂纸抛光打磨基材表面，接着分别用酒精和蒸馏水清洗基材表面，待基材晾干后装夹在打印设备上。

3） 导电图形的喷印和固化

上位机生成的指令代码发到打印设备中后，五轴平台会将第一个小面片旋转至水平状态，然后进行平面打印。一个小面片打印完成后，为了避免液体的流动，激光会将刚打印完的片面迅速固化，且不会损坏如光敏树脂等低熔点基体材料。当前的面片激光固化完成后，再将另一个小面片旋转至水平状态，然后分别进行打印和固化，直至完成整个导电图形的制备。

2 非展开曲面导电图形打印设备

为了验证该工艺的有效性，自主研制了一种基于该工艺的非展开曲面导电图形三维打印装备，该设备主要由五轴联动平台、喷墨打印系统、激光固化系统组成，其构成关系如图3所示。

五轴联动平台用于将曲面上的被打印面旋转至水平状态，并且让喷头始终平行于被打印面的法线方向，从而进行平面打印。喷墨打印系统主要由压电式喷墨打印头（PH?04a microfab technologies）、负压控制系统、喷头驱动电路、液滴检测系统组成。

其中负压控制系统用于给喷头提供负压，喷头驱动电路用于控制喷头驱动脉冲的波形、脉冲电压幅值和脉冲频率。液滴监测系统由高速CCD和闪频控制器组成，用于观察液滴形成过程和测量液滴形状和尺寸。激光固化系统主要由一台半导体泵浦激光器（5 W，532 nm）和三个反射镜组成。

3 实验及测试结果

为了验证该方法的有效性，本文在光固化树脂材质的球面上制备了如图4所示的十字结构频率选择表面样件。一台双模式三维轮廓仪/台阶仪（UP?WLI+AFM，Rtec）用于测量导电图形的几何形貌和厚度，但由于基体材料使用立体光固化（Stereo Lithography Appearance，SLA）技术制造，基体表面呈现出许多如图5所示的沟壑状纹理，沟壑最大高度差有13 μm，所以无法测量导电图形厚度，因此在平面的玻璃基板使用相同的工艺制备了相同的图形，测量导电图形厚度为0.51 μm。最后通过四探针测试仪（Rts?9， 四探针科技）测量导电图形的导电率，经测量，使用该方法和装备打印的导电图形导电率达到1×107 S/m，几何尺寸误差为±0.1 mm，薄膜厚度均匀性误差小于4%，进而验证了该方法的有效性。

4 结 论

本文提出一种基于五轴联动平台和喷印技术的非展开曲面导电图形制备工艺和装备，以解决传统工艺在非展开曲面上制备导电图形困难等问题。通过样件的测量数据表明，本文提出的非展開曲面导电图形制备方法可以制备出具有较好导电性、几何精度和厚度均匀性的导电图形，从而验证了该方法的有效性。本研究成果可应用于如共形天线、频率选择表面、可穿戴电子等产品的制造中。

参考文献

[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] 张玉娜.模塑材料表面导电线路的直写技术研究[D].武汉：华中科技大学，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.