CN110798994B - 一种曲面共形多层印制板的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种曲面共形多层印制板的制备装置及方法，基于五轴运动***结合压电喷墨技术，采用双喷头设计，一个喷头喷射沉积纳米导电材料，另一个喷头喷射沉积介电材料，将两材料按照一定顺序沉积于曲面基材上。在喷射成型材料过程中配合实时固化装置实现材料快速固化定型，使纳米导电材料中溶剂挥发满足导通互联，介电材料分子链交联反应后铺展定型。该固化方式是一种随形曲面的曝光固化形式，避免了平面光源曝光曲面所造成的固化效果不一致及厚度不一致的现象。通过两种材料的层层打印堆积，控制过程中固化条件，最终实现曲面共形多层电路板的打印。

Description

一种曲面共形多层印制板的制备装置及方法

技术领域

本发明涉及曲面共形多层印制板制备技术领域，具体为一种曲面共形多层印制板制备装置及方法。

背景技术

传统印制板的制作往往是通过显影胶的曝光蚀刻、化学镀、激光蚀刻等工艺来实现单层线路的制作，再通过层压的方式成型为多层板。垂直互联特征通过激光打孔、机械钻孔后，再通过化学沉铜的方式实现多层之间的互联互通。整个工艺繁琐复杂，需要经历化镀、蚀刻，不仅存在材料浪费且污染环境。针对曲面共形刚性板的制作，传统工艺往往通过制作软板后再采用曲面附形层压或胶黏的方式成型，而曲面压合工艺，如果曲面曲率偏大则会造成软板中的线路发生变形以致损伤影响信号传输。而对于曲面多层硬板的制作，传统工艺几乎没有现有的解决方案。

压电喷墨技术是利用压电陶瓷在电场作用下的形变效应实现墨滴的按需挤出。目前已经大量应用平面印刷电子线路，如RFID天线、传感器、OLED等领域。目前以色列公司NanoDimension已经采用阵列压电喷头实现了平面多层印制板的打印，因而采用喷墨技术有望实现曲面多层板的打印。传统在曲面壳体内(导引头、曲面射频天线阵列)的印制板的安装方式，均以平面安装的形式进行。不仅存在空间浪费，此外由于平面印制板的安装方式使其与正面天线的互联互通连接复杂且由于间隙的存在使得散射截面及耗损指标增大，不利于天线信号传输及相关隐身性能。因此，在需求上看也非常有必要发展一种曲面共形印制板的制备工艺。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种曲面共形多层印制板的制备装置及方法，本发明基于五轴运动***结合压电喷墨技术，采用双喷头设计，一个喷头喷射沉积纳米导电材料，另一个喷头喷射沉积介电材料，将两材料按照一定顺序沉积于曲面基材上。在喷射成型材料过程中配合实时固化装置实现材料快速固化定型，使纳米导电材料中溶剂挥发满足导通互联，介电材料分子链交联反应后铺展定型。该固化方式是一种随形曲面的曝光固化形式，避免了平面光源曝光曲面所造成的固化效果不一致及厚度不一致的现象。通过两种材料的层层打印堆积，控制过程中固化条件，最终实现曲面共形多层电路板的打印。

本发明的技术方案为：

所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：包括五轴运动***、工控机、固化***、打印头装置、供液***、CCD相机、打印平台；

所述五轴运动***包括五轴运动台和装夹台，五轴运动台作为打印平台的载体，装夹台作为打印头装置的载体；所述五轴运动***受工控机控制，实现打印平台与打印头装置的相对运动；

所述打印头装置包括两个压电喷头和液滴发生器，由液滴发生器通过脉冲电压激发驱动压电陶瓷工作挤出墨水；且所述液滴发生器能够为压电喷头设定压电波形、电压大小及脉冲频率，实现需要的液滴喷射形态；

所述供液***包括气路控制器和储墨瓶；不同储墨瓶中分别存储导电油墨和介电油墨，存储不同油墨的储墨瓶各自与对应的压电喷头连接；所述气路控制器外接正压源和负压源；所述气路控制器通过调整向储墨瓶中输出的正负压力大小，能够控制使压电喷头的打印液滴处于半弧形形态；

所述固化***用于实现导电油墨和介电油墨固化；

所述CCD相机用于观察打印状态、液滴状态并协助进行压电喷头定位；

所述打印平台具备加热功能及真空吸附功能，加热功能用于辅助导电材料固化，吸附功能用于软胶类基材的固定。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：所述五轴运动***接收工控机中对设计文件进行处理后得到的控制代码，解析后发送至相应驱动器，实现打印平台与打印头装置的相对运动。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：所述工控机接收曲面共形印制板设计文件，利用CAM软件根据设计文件生成刀轨文件，并依据刀轨文件进行打印头频率和速度匹配。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：所述固化***包括导电油墨固化灯和介电油墨固化灯，均安装在装夹台上，受工控机控制；所述导电油墨固化灯采用近红外灯固化灯、激光器或氙灯；所述介电油墨固化灯采用紫外固化灯。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：储墨瓶与压电喷头之间的传输管道中设置有滤芯，油墨通过滤芯后传输至压电喷头。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：压电喷头为单喷孔或阵列喷孔，两个压电喷头的喷孔直径一致；所述压电喷头中还具有升温装置，能够实现压电喷头温度控制。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：所述CCD相机分为同轴CCD相机和旁轴CCD相机，同轴CCD相机光轴与压电喷头轴线平行，用于定位及观察打印过程；所述旁轴CCD相机为同频相机，用于观察墨滴形态。

利用上述制备装置实现曲面共形多层印制板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选用粘度范围在10～45cp，表面张力在10～55dyn/cm的导电油墨及介电油墨，分别装在储墨瓶中；

步骤2：调节气路控制器，通过旁轴CCD相机观察墨滴在喷头的形态，直至墨滴在喷头的形态为小于喷嘴半径的扁平弧状后，固定气路控制器的输出压力值；

步骤3：调节液滴发生器输出的压电波形、电压大小及脉冲频率，并通过旁轴CCD相机观察墨滴的喷射状态，直至压电喷头喷射墨滴为无卫星溅射点的连续球形态；

步骤4：在工控机中，按照当前喷嘴直径，根据三维模型设计文件利用CAM软件生成刀轨文件，并设置速度与喷射频率之间的比例关系，实现降低速度同时按比例降低喷射频率；在刀轨文件还***有固化***的开启时刻：当通过计算判断当前压电喷头轴向与该压电喷头在上一次同类型固化***关闭后的打印起始点法向之间的角度偏差达到设定阈值时，开启同类型固化***，对这一阶段的打印材料进行固化；若在一层材料打印过程中均没有达到角度偏差设定阈值，则在该层材料打印完成后，开启同类型固化***，对这一层打印材料进行固化；

步骤5：打印前通过工控机控制打印平台预热至80～120℃，之后控制五轴运动***根据刀轨文件进行打印；

步骤6：打印完成后，工控机控制升温打印平台温度至160～200℃，进行曲面打印多层板的后处理固化，稳定导体材料性能。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备方法，其特征在于：步骤4中的角度差设定阈值为30°。

进一步的优选方案，所述一种曲面共形多层印制板的制备方法，其特征在于：导电油墨选用纳米银油墨、纳米镍油墨或纳米铜油墨，介电油墨选用丙烯酸类树脂或环氧树脂。

有益效果

本发明具有的有益效果是：

1)本发明提出的曲面共形多层印制板制备装置，采用双压电喷头能够支持导电材料和介电材料的同时打印，打印过程中可根据材料的属性赋予不同的打印参数，实现了双材料的精确打印成型。

2)本发明的曲面共形多层印制板制备装置，具备多种固化***，能够实现光敏、热固型材料的在线快速固化，避免后续二次处理。

3)本发明的曲面共形多层印制板制备方法，能够快速在曲面上制备共形线路或共形印制板，为传统工艺提供了一种新的解决方案。

4)本发明中曲面共形多层印制板制备方法，可以衍生应用于曲面共形喷绘、曲面传感器、曲面多层频选天线等方面应用，同时本方案也可以用于平面多层电路板的打印。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1曲面共形多层印制板的示意图；

图2打印介电材料过程；

图3打印导电材料过程；

其中：1.五轴运动台；2.介电材料打印头；3.导电材料打印头；4.旁轴CCD；5.液滴发生器；6.装夹台；7.同轴CCD；8.红外传感器；9.紫外固化灯；10.近红外固化灯；11.运动控制器；12.运动控制卡；13.储料瓶；14.正压输入；15.负压输入；16.气路控制器；17.设计文件；18.工控机；19.CAM软件；20.二次开发插件；21.滤芯；22.转台支撑架；23.旋转平台。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的基本原理是应用压电喷墨的打印方式将介电油墨和导电油墨分别成型于曲面基材上，中间过程辅助近红外(NIR)和紫外(UV)及对基材加热等固化过程，通过工控机运行经过处理后的程序，匹配喷射频率及机械运动实现喷墨打印头的按需喷墨。通过导电油墨及介电油墨的层层堆积打印成型为曲面共形多层印制板。

如图1所示，本实施例中的曲面共形多层印制板的制备装置，包括五轴运动***、工控机、固化***、打印头装置、供液***、CCD相机、打印平台。

所述五轴运动***包括五轴运动台、装夹台、驱动器及运动控制卡，主要采用电机和传动丝杆作为动力和传动装置。五轴运动台作为打印平台的载体，装夹台作为打印头装置的载体；所述五轴运动***中的运动控制卡接收工控机中对设计文件进行处理后得到的控制代码，运动控制卡将代码解析后逐条发送至相应驱动器及其他控制端口，执行命令后各个器件协同进行运作，包括打印平台与打印头装置的相对运动，实现打印动作。

所述工控机接收曲面共形印制板设计文件，利用CAM软件根据设计文件生成刀轨文件，并依据刀轨文件进行打印头频率和速度匹配，以及***固化灯开关等控制代码。

所述打印头装置包括两个压电喷头和液滴发生器，由液滴发生器通过脉冲电压激发驱动压电陶瓷工作挤出墨水；且所述液滴发生器能够为压电喷头设定压电波形、电压大小及脉冲频率，实现需要的液滴喷射形态。压电喷头为单喷孔或阵列喷孔，两个压电喷头的喷孔直径一致，优选喷孔直径范围为20～100μm。所述压电喷头中还具有升温装置，能够实现压电喷头温度控制。

所述供液***包括气路控制器和储墨瓶；不同储墨瓶中分别存储导电油墨和介电油墨，存储不同油墨的储墨瓶各自与对应的压电喷头连接，且储墨瓶与压电喷头之间的传输管道中设置有滤芯，滤芯的主要功能为去除团聚的纳米颗粒防止堵塞喷头。所述气路控制器外接正压源和负压源，向储墨瓶中提供压力，在压力驱动下墨水从储墨瓶经过滤芯后输送到压电喷头。所述气路控制器通过调整向储墨瓶中输出的正负压力大小，稳定控制压力气压输出(调整精度≤0.01MPa)，控制使压电喷头的打印液滴处于半弧形形态。

所述固化***用于实现导电油墨和介电油墨固化。所述固化***包括导电油墨固化灯和介电油墨固化灯，均安装在装夹台上，受工控机控制；所述导电油墨固化灯采用近红外灯固化灯、激光器或氙灯；所述介电油墨固化灯采用紫外固化灯。

所述CCD相机分为同轴CCD相机和旁轴CCD相机，同轴CCD相机光轴与压电喷头轴线平行，主要用于观察打印成型的线路及定位功能；所述旁轴CCD相机为与压电喷头同频相机，用于观察墨滴形态。此外，同轴CCD相机的定位功能可采用对刀仪代替。

所述打印平台具备加热功能及真空吸附功能，加热功能能够满足200℃范围内的加热需要，主要作用为加热打印基材辅助打印过程中导电材料的固化。吸附功能用于硅胶类及薄膜类软体基材的固定。

利用上述制备装置实现曲面共形多层印制板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选用粘度范围在10～45cp，表面张力在10～55dyn/cm的导电油墨及介电油墨，分别装在储墨瓶中；这里导电油墨可以选用纳米银油墨、纳米镍油墨及纳米铜油墨等，介电油墨可以选用丙烯酸类树脂、环氧树脂等。

步骤2：调节气路控制器，通过旁轴CCD相机观察墨滴在喷头的形态，直至墨滴在喷头的形态为小于喷嘴半径的扁平弧状后，固定气路控制器的输出压力值。

步骤3：调节液滴发生器输出的压电波形、电压大小及脉冲频率，并通过旁轴CCD相机观察墨滴的喷射状态，直至压电喷头喷射墨滴为无卫星溅射点的连续球形态。这里可采用打印标准图形并观察线路边缘是否有溅射点来间接判断液滴发生器参数是否合适。

步骤4：在工控机中，按照当前喷嘴直径，根据三维模型设计文件利用CAM软件(如Mastercam)生成刀轨文件，并设置压电喷头移动速度与喷射频率之间的比例关系，实现降低速度同时按比例降低喷射频率；在刀轨文件还***有固化***的开启时刻：当通过计算判断当前压电喷头轴向与该压电喷头在上一次同类型固化***关闭后的打印起始点法向之间的角度偏差达到30°时，开启同类型固化***，对这一阶段打印的打印材料进行固化；若在一层材料打印过程中均没有达到角度偏差设定阈值，则在该层材料打印完成后，开启同类型固化***，对这一层打印材料进行固化。打印过程中两种材料打印层数之间的交替关系，根据具体材料沉积厚度进行设定。

本实施例中，三维模型设计文件内电路图形和介质基材为装配体形式，在CAM中生成刀轨文件时，选用不同的刀头进行刀轨文件生成。

步骤5：打印前通过工控机控制打印平台预热至80～120℃，之后控制五轴运动***根据刀轨文件进行打印；如果曲面基体温度难以稳定，则可以针对基板进行外置加热装置，如在曲面基板中埋入加热棒辅助加热，其目的在于辅助打印过程中导电墨水中溶剂快速挥发，使导电墨水喷射至基材上后快速定型。

打印平台上的曲面基板为打印曲面多层板的承载体，为保证介质材料与基材的粘附力，本实施例中通过在曲面基体表面增加过渡层及等离子处理的方式增加粘附力，防止打印过程中翘曲剥离现象。

打印过程中根据程序判定，根据曲率的判断(即前述角度偏差)开启近红外及紫外固化灯的时间，保证墨水快速定型，防止因为重力作用而发生流动导致的厚度不均匀。其中近红外主要用于导电墨水的固化，紫外主要用于介电墨水的固化。

步骤6：打印完成后，工控机控制升温打印平台温度至160～200℃，保温0.5～1h，进行曲面打印多层板的后处理固化，稳定导体材料性能。这里升温目的在于进一步在热作用下促使纳米银颗粒融合，形成良好导体。

在基板升温的同时可辅助增大近红外输出功率照射来达到促使多层板表面导体性能提升。当然，也可以在烘箱中进行曲面打印多层板的后处理固化。

如图2为打印介电材料的过程，图3为打印导电材料的过程。本实施例中选用的导电材料为纳米银油墨，纳米颗粒直径分布为20～100nm，粘度为25cp，表面张力为35dyn/cm，固化温度120℃/10min@1mil。介电墨水为丙烯酸改性树脂，粘度为45cp，表面张力为30dyn/cm，紫外波长365nm固化。两个压电喷墨打印头选用喷孔直径为60μm。

具体实施过程为：

步骤1：通过三维软件SolidWorks按照基材胚体模型进行共形多层线路板设计，其中介质基材与导体材料为装配体形式。通过MasterCam分别针对两种刀头进行刀轨文件生成。在软件中设置相关参数，将速度与频率及开关光路控制进行匹配与***，生成打印执行文件。

步骤2：将打印曲面基板固定于打印平台上，通过CCD相机或对刀仪在曲面基板上进行定位，确定打印起始点，设置打印头高度为1.2mm。

步骤3：预热打印基板至100℃，通过热电偶反馈温度稳定后，执行打印程序。

其中在每打印一段介电材料时，程序根据曲率算法控制，开启紫外灯配合旋转平台运动进行实时固化，保证曲面上材料固化的一致性。如图2所示。按照同样原理，在每打印完一段导电材料后，采用红外灯进行固化。

步骤4：重复介电层与导电层的打印过程及固化过程，形成两种材料按照轨迹进行层层堆叠。

步骤5：打印完成后按照预定程序将打印基板升温至150℃，保温0.5h。

步骤6：通过万用表测试预留点的电阻及通断情况，判断固化情况，如若电阻率偏大则可延长保温时间，待电阻降低后缓慢降低基板温度。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：包括五轴运动***、工控机、固化***、打印头装置、供液***、CCD相机、打印平台；

所述五轴运动***包括五轴运动台和装夹台，五轴运动台作为打印平台的载体，装夹台作为打印头装置的载体；所述五轴运动***受工控机控制，实现打印平台与打印头装置的相对运动；

所述打印头装置包括两个压电喷头和液滴发生器，由液滴发生器通过脉冲电压激发驱动压电陶瓷工作挤出墨水；且所述液滴发生器能够为压电喷头设定压电波形、电压大小及脉冲频率，实现需要的液滴喷射形态；

所述供液***包括气路控制器和储墨瓶；不同储墨瓶中分别存储导电油墨和介电油墨，存储不同油墨的储墨瓶各自与对应的压电喷头连接；所述气路控制器外接正压源和负压源；所述气路控制器通过调整向储墨瓶中输出的正负压力大小，能够控制使压电喷头的打印液滴处于半弧形形态；

所述固化***用于实现导电油墨和介电油墨固化；

所述CCD相机用于观察打印状态、液滴状态并协助进行压电喷头定位；

所述打印平台具备加热功能及真空吸附功能，加热功能用于辅助导电材料固化，吸附功能用于软胶类基材的固定；

所述工控机接收曲面共形印制板设计文件，利用CAM软件根据设计文件生成刀轨文件，并依据刀轨文件进行打印头频率和速度匹配；

所述五轴运动***接收工控机中对设计文件进行处理后得到的控制代码，解析后发送至相应驱动器，实现打印平台与打印头装置的相对运动；

打印过程中根据程序判定，根据曲率的判断开启所述固化***保证墨水快速定型，防止因为重力作用而发生流动导致的厚度不均匀。

2.根据权利要求1所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：所述固化***包括导电油墨固化灯和介电油墨固化灯，均安装在装夹台上，受工控机控制；所述导电油墨固化灯采用近红外灯固化灯、激光器或氙灯；所述介电油墨固化灯采用紫外固化灯。

3.根据权利要求1所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：储墨瓶与压电喷头之间的传输管道中设置有滤芯，油墨通过滤芯后传输至压电喷头。

4.根据权利要求1所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：压电喷头为单喷孔或阵列喷孔，两个压电喷头的喷孔直径一致；所述压电喷头中还具有升温装置，能够实现压电喷头温度控制。

5.根据权利要求1所述一种曲面共形多层印制板的制备装置，其特征在于：所述CCD相机分为同轴CCD相机和旁轴CCD相机，同轴CCD相机光轴与压电喷头轴线平行，用于定位及观察打印过程；所述旁轴CCD相机为同频相机，用于观察墨滴形态。

6.利用权利要求1所述制备装置实现曲面共形多层印制板的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选用粘度范围在10～45cp，表面张力在10～55dyn/cm的导电油墨及介电油墨，分别装在储墨瓶中；

步骤2：调节气路控制器，通过旁轴CCD相机观察墨滴在喷头的形态，直至墨滴在喷头的形态为小于喷嘴半径的扁平弧状后，固定气路控制器的输出压力值；

步骤3：调节液滴发生器输出的压电波形、电压大小及脉冲频率，并通过旁轴CCD相机观察墨滴的喷射状态，直至压电喷头喷射墨滴为无卫星溅射点的连续球形态；

步骤4：在工控机中，按照当前喷嘴直径，根据三维模型设计文件利用CAM软件生成刀轨文件，并设置速度与喷射频率之间的比例关系，实现降低速度同时按比例降低喷射频率；在刀轨文件还***有固化***的开启时刻：当通过计算判断当前压电喷头轴向与该压电喷头在上一次同类型固化***关闭后的打印起始点法向之间的角度偏差达到设定阈值时，开启同类型固化***，对这一阶段的打印材料进行固化；若在一层材料打印过程中均没有达到角度偏差设定阈值，则在该层材料打印完成后，开启同类型固化***，对这一层打印材料进行固化；

步骤5：打印前通过工控机控制打印平台预热至80～120℃，之后控制五轴运动***根据刀轨文件进行打印；

步骤6：打印完成后，工控机控制升温打印平台温度至160～200℃，进行曲面打印多层板的后处理固化，稳定导体材料性能。

7.根据权利要求6所述一种曲面共形多层印制板的制备方法，其特征在于：步骤4中的角度差设定阈值为30°。

8.根据权利要求6所述一种曲面共形多层印制板的制备方法，其特征在于：导电油墨选用纳米银油墨、纳米镍油墨或纳米铜油墨，介电油墨选用丙烯酸类树脂或环氧树脂。

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