面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造装备与方法

本发明涉及一种面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造装备与方法，属于3d打印。

背景技术：

1、目前，表面电路制造方法主要通过激光直写技术，该技术以激光为热源，通过激光照射将到基体表面特制膜层材料，使得膜层材料产生物理变化或者化学变化，从而形成连续的导电路径，适合于表面的衬底材料，如塑性聚合物、特制纸张、特殊薄膜层等。此技术针对不同表面膜层材料的性质特点，采取不同的工艺方法制造出性能良好的电路图案，从而形成特殊的传感器柔性电路，是一种非常有发展潜力的表面电路制造方法。

2、但是，目前的激光直写表面电路多为三轴控制，即激光照射在平面载体上来制造导电电路。对于圆凸面、波浪面等不规则表面，部分区域的激光照射角度不再成直角，入射角度是不断变化的，而不一致的激光入射角则会导致在最后制造出来的电路导电性能不一，因此现有的三轴激光直写表面电路的设备和方法不能用于复杂表面电路的制造。

3、本发明瞄准该技术难题，设计了以fdm多轴增材制为基础的复杂外形表面电路激光直写装备和方法，解决了复杂表面电路直写的技术难题。

技术实现思路

1、基于熔融沉积成型的三维打印技术是三维打印领域的传统打印技术之一，因其采用熔融状态的打印材料逐层堆积成型的原理简单而且易于实现而受到广大设备开发者和用户的欢迎。本发明提供一种面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造装备与方法，对于表面电路基体，可以采用其他制造设备预先生成，也可以采用本设备的多轴联动3d打印成型方式形成柔性电路基体，然后在基体表面构造表面电路烧结薄膜，然后采用多轴联动的激光在薄膜表面烧结出表面电路。

2、本发明的主要目的在于，在快速生成复杂表面基体的基础上，基于激光线束与基体表面垂直的原理，用激光光斑在基体表面快速烧结出分布均匀、线条流畅的高质量表面电路。为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

3、一种面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造装备，工件对于加工头具有4～6个自由度(x，y，z，a，b，c)，z轴垂直于水平面，加长喉管的fdm喷嘴和激光头都安装在相对于工件具有上下自由度z轴上。加长喉管的fdm喷嘴可以通过3d打印形成承载导电层的基体，激光器则通过其光斑在工件表面按照预计算的路径行进，从而形成表面电路。

4、一种面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造激光烧结控制系统。激光器在初始位置发出的激光与水平面垂直，激光光束相对于工件的运动具有4～6个自由度(x，y，z，a，b，c)。在本专利中，激光器与mach3板卡的主轴进行连接，板卡的m3端口控制激光器开，m5端口控制激光器关。主轴转速s指令控制激光器的功率。激光烧结表面薄膜，使得工件表面形成均匀的导电路径。

5、一种基于复杂外形薄膜的表面电路烧结方法。主要方法有贴膜、喷膜、镀膜三种。

6、(1)贴膜指使用可进行电路烧结成形的导电胶带粘贴于工件表面，此胶带具有高绝缘、耐高温、低温、耐酸碱、低电解、良好机械性能、耐摩擦、抗撕裂，特殊粘剂处理，

7、(2)喷膜即采用溶液喷射技术通过喷枪将表面材料均匀喷射到工件表面膜层，经自然固化后得到一层均匀的可碳化胶层。喷涂过程中不产生有害物质，符合环保要求；喷涂厚度可控，有利于制备高性能的可碳化胶层薄膜；喷涂效率高，可实现大面积制备。

8、(3)镀膜指将工件浸泡于介质溶液中，溶液中的介质结晶附着于基体表面形成膜层。

9、基于上述的多轴增材制造装置的打印方法，包括如下步骤：

10、步骤1.在需要本设备打印基体的情况下，根据工件外形轮廓进行路径规划切片，再通过多轴3d打印技术进行基体的分层打印。不要本设备打印基体时，则需要将预制基体固定在转台表面，并使得其固定位置与预先计算的理论位置完全一致；

11、步骤2.通过贴膜、喷膜、镀膜等方法使薄膜均匀粘贴于基体表面上，薄膜与工件表面完全贴合。

12、步骤3.激光器与mach3板卡的主轴进行连接，这样主轴的m3端口就可以控制激光器的开，m5端口就可以控制激光器的关。主轴的转速s指令就可以控制激光器的功率。使得在激光烧结中可根据不规则曲面的需要进行控制激光器的实时功率及烧结速度。

13、步骤4.激光烧结复杂外形薄膜，使得薄膜碳化后形成所需的均匀导电路径，这样该薄膜就成为基体曲面形状的柔性的电路板。

14、步骤流程如图4所示

15、有益效果：

16、1、以复杂外形薄膜作为主要激光烧结材料，使得该薄膜碳化形成导电路径，该复杂外形薄膜是一种聚合物绝缘体，其制造工艺成熟，绝缘性能、机械性能、热学性能优良，长期被用作绝缘胶带，在各行业有广泛的应用。因为其分子结构中含有苯环，在高温条件下会发生裂解反应，产生碳结构。以激光束对该薄膜进行辐照，可以利用激光的热效应，对该薄膜进行碳化，使被激光辐照过的区域产生碳结构，并具备导电性，而未被激光辐照的区域仍然保持绝缘体特征。

17、2、基于mach3板卡的多加工端口的装备设计，能够随时个性化针对性的对加工工件流程进行优化和精简，有着极高的自由度和广阔的优化潜力。能够根据所需工件的材料特性和加工特性对加工流程进行优化，寻找最优路径规则和解决方案。

18、3、3d打印采用多轴成型方式，整个fdm打印过程是在多自由度转台(1个以上的自由度)上完成的，该转台至少可以做一个自由度的旋转运动，这也使得整台设备由传统三轴变为多轴机构。针对圆凸面、波浪面、不规则曲面等复杂表面，激光照射角度时刻保持垂直，制造出的电路路径更均匀，导电性能更有稳定性和连续性。

19、4、激光器与mach3板卡的主轴进行连接，mach3板卡功能强大，控制效率高，可实时根据复杂曲面进行自动调整激光器所需的光束强度、功率及速度。

技术特征：

1.一种面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造装备；其主要特征包括：工件对于加工头具有4～6个自由度(x，y，z，a，b，c)，z轴垂直于水平面，加长喉管的fdm喷嘴和激光头都安装在相对于工件具有上下自由度的z轴上；加长喉管的fdm喷嘴可以通过3d打印形成承载导电层的基体，激光器则通过其光斑在工件表面的薄膜上按照预计算的路径行进，从而形成表面电路。

2.一种面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造激光烧结控制系统；激光器在初始位置发出的激光与水平面垂直，激光束相对于工件的运动具有4～6个自由度(x，y，z，a，b，c)；激光器与mach3板卡的主轴进行连接，板卡的m3端口控制激光器开，m5端口控制激光器关；主轴转速s指令控制激光器的功率，激光烧结表面薄膜，使得工件表面形成均匀的导电路径。

3.一种基于复杂外形薄膜的表面电路烧结方法；形成薄膜的主要方法包括贴膜、喷膜、镀膜；贴膜指使用可进行电路烧结成形的导电胶带粘贴于工件表面，胶带与工件表面完全贴合；喷膜指采用喷枪将表面材料均匀喷射到工件表面膜层；镀膜指将工件浸泡于介质溶液中，溶液中的介质结晶附着于基体表面形成膜层。

技术总结本发明公开了一种面向复杂外形薄膜表面电路烧结的多轴增材制造装备与方法，其特征是，本设备可以采用五轴FDM 3D打印工艺形成表面电路基体；激光烧结的基体表面薄膜可以通过贴膜、喷膜、镀膜这三种方法形成；在薄膜上烧结表面电路时，激光光线对于薄膜表面有X，Y，Z，A，C等五个以上自由度，使激光光线与薄膜表面法矢量重合。激光在薄膜表面按预计算的路径行进，使得在薄膜表面烧结出需要的表面电路。本发明采用性价比高、技术成熟的Mach3运动控制卡，采用Mach3的主轴端口控制激光器，降低了控制系统的成本。实现了激光可以在任意复杂表面上烧结表面电路的设备和方法，可以极大降低以人体外形、飞行器为代表的复杂外形表面电路的制造成本，同时极大提高其制造效率。技术研发人员：刘浩,张家辉,谢东升受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2