用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法，采用电场驱动喷射3D打印、熔融沉积成型、五轴联动3D打印相结合，实现共形天线和电路的一体化制造；采用FDM技术制造天线的基体结构，采用电场驱动喷射3D打印技术制造共形天线的电路；利用FDM喷头和打印平台五自由度运动实现各种复杂天线基体结构的自支撑打印，基于五轴联动平台和电场驱动喷射3D打印喷头实现天线导电图形在复杂曲面上的高精度共形打印；FDM喷头采用送丝机构供应打印耗材，实现打印耗材的按需供应；采用原位激光烧结技术，实现打印电路的同步烧结固化；采用CCD相机辅助定位，并对电路打印过程实时监控本发明专利技术具有多种优点和广泛工业化应用前景。

A 3D Printing Device for Conformal Antenna and Circuit Integrated Manufacturing and Its Method

The invention discloses a 3D printing device and method for conformal antenna and circuit integrated manufacturing, which integrates electric field driven jet 3D printing, molten deposition forming and five-axis linkage 3D printing to realize conformal antenna and circuit integrated manufacturing, uses FDM technology to manufacture antenna matrix structure, and uses electric field driven jet 3D printing technology to manufacture conformal antenna circuit. Five-degree-of-freedom motion of FDM sprinkler and printing platform is used to realize self-supporting printing of various complex antenna matrix structures. High-precision conformal printing of antenna conductive patterns on complex surfaces is realized based on five-axis linkage platform and electric field-driven jet 3D printing sprinkler. Printing consumables are supplied by wire feeding mechanism for FDM sprinkler, and in-situ laser sintering technology is used for printing consumables on demand. The invention realizes simultaneous sintering and solidification of printing circuit, uses CCD camera to assist positioning and real-time monitoring of circuit printing process, and has many advantages and wide industrial application prospect.

【技术实现步骤摘要】
用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法
本专利技术涉及一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法。
技术介绍
共形天线作为无线电子通讯设备中的新兴技术，是在传统的天线基础之上发展的一种新技术，是具备“共形”特征这一类天线的总称。共形阵天线是指附着于载体表面且与载体贴合的阵列天线，其需要将阵列天线共形附着在一个固定形状的表面上，从而形成非平面的共形天线阵。共形天线和共形阵天线能够共形在一个特殊的载体之上，使得共形天线与载体具有密不可分的关系，而且这个特殊的载体可以是飞机的机翼、导弹的弹头、载人飞船的某一部分外壳等等。共形天线阵列技术作为天线技术重要发展的方向，具有诸多突出的优势和潜能，当前无论是在航天和国防领域，还是在民用产品领域都已经成为天线发展的必然趋势和方向。另外，为了进一步减小体积和降低重量，提升射频性能，相控阵射频电路需要把天线阵元和移相器芯片一体化最优路径整合在一起，采用共面波导形式来省略线缆和金属部件，实现结构功能两者一体化设计，且同步的用最小的体积和最小重量来满足设计指标。这对于共形天线及电路一体化制造提出越来越高的要求，现有的传统的制造技术在实现共形天线及电路一体化快捷制造方面面临着巨大的挑战。当前共性天线/共形阵天线在性能和制造等方面的功能需求主要包括：(1)微型化：结构紧凑，减小尺寸和体积；(2)轻量化：降低重量，采用点阵、功能梯度、碳纤维复合等先进材料和结构，在确保需要的强度/刚度同时，减少重量；(3)共形化：低剖面特点，天线在复杂曲面结构上共形能力，嵌入到承载体与其完全共形的能力，减少对空气动力学特性的影响；(4)曲面化：自由曲面成形(天线基体)和构型(天线功能结构)；(5)多材料：基体非金属材料、天线金属材料、封装材料等，一体化制造；(6)高强度：承受各种不同的载荷；(7)非均质：基体具有非均质、功能梯度结构的显著特性；(8)多功能：具有多重功能性(力学、物理、电和气动性能等)，机电一体；(9)跨尺度：天线线宽和整体结构的大面积宏/微跨尺度；(10)高精度：为了提高共形天线的性能，对于天线线宽和共形能力要求越来越高，共形天线的高精度制造技术是共形加载天线结构微型化面临的重大挑战。(11)新型高性能天线材料：同时满足高精度3D打印，与基体良好的粘附能力，以及后续低温烧结工艺等要求的导电材料。目前提出的用于制造共形天线的技术包括印刷电子技术、喷墨打印技术、气溶胶喷射打印技术、3D直写技术、激光直写纳米颗粒技术、激光还原法、电流体动力喷印等。其中，印刷电子线路技术灵活性不够高，且制造的电路精度也很有限，难以制造附着于复杂曲面之上的共形天线，一般用于在简单结构上低精度要求的电路印刷；喷墨打印技术存在着喷印打印分辨率低、液滴尺寸受限于喷嘴直径、喷嘴容易堵塞等缺点，并且所使用的打印材料种类非常有限；美国Optomec公司生产的AerosolJet5X设备结合了传统数控加工的方法，其原理为将五轴机床和气溶胶喷印工艺运用到柔性曲面图案化电路共形喷印过程中，但气溶胶喷印方法设备造价高，工艺复杂，生产效率较低，无法实现基体和电路一体化制造；3D直写技术结合六自由度机械手，存在精度差、无法实现基体和共形电路一体化打印等问题，目前并没有实际生产应用；激光直写纳米颗粒和激光还原法能够获得导电性较好且分辨率在纳米尺度的金属结构，但是对于共形布线而言，纳米颗粒的铺覆较为困难，粉末和溶液耗费较多，结合六自由度机械手用于制造共形天线时，存在精度差、无法实现基体和共形电路一体化打印等问题，目前并没有实际生产应用；黄永安在(申请号201710915067.1)中提出一种复杂曲面电路共形喷印方法和设备，其原理是利用电流体动力喷印，结合使待喷印物能六自由度运动的平台，在墨液、电极环和待喷印物上形成梯度电势差，并在现有的基体上绘制曲面电路，其不足之处在于，无法直接制造共形基体，因此不能实现共形天线的一体化制造。现有的制造技术不能实现共形天线基体和电路的一体化制造，并且在已有基体上制造电路时存在制造精度低、共形能力差、制造材料种类有限等不足，因此亟需发展高精度共形3D打印技术，实现共形天线和共形阵天线的高效低成本规模化制造。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置及其方法，本专利技术能够实现共形天线基体的制造，又能在基体上完成共形电路的一体化制造。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，包括安装平台，所述安装平台上设置X轴Ⅰ位移台，X轴Ⅰ位移台上设置X轴Ⅰ安装台，X轴Ⅰ安装台上安装可倾回转工作台，可倾回转工作台上设置具有真空吸附和加热功能的打印床，打印床上吸附有打印衬底；所述打印衬底上方对应设置FDM喷头和电场驱动喷头模块，所述FDM喷头固定在喷头安装架Ⅰ上，喷头安装架Ⅰ安装在Z轴Ⅰ位移台上，Z轴Ⅰ位移台安装在Z轴Ⅰ安装平台上，Z轴Ⅰ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅰ，打印耗材从耗材支架经过托链Ⅰ进入FDM喷头；所述X轴Ⅱ位移台两端分别通过Y轴Ⅰ滑动连接装置、Y轴Ⅱ滑动连接装置与Y轴Ⅰ位移台和Y轴Ⅱ位移台安装连接，Y轴Ⅰ位移台安装在立柱Ⅱ和立柱Ⅲ顶部，Y轴Ⅱ位移台安装在立柱Ⅰ和立柱Ⅳ顶部，立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、立柱Ⅲ和立柱Ⅳ的底部分别固定安装在安装平台上，并与安装平台保持垂直；所述电场驱动喷头模块包括喷嘴、电极架、环形电极和储料筒四个部分，储料筒安装在储料筒固定架上，储料筒固定架与喷头安装架Ⅱ相连接，喷嘴同轴安装在储料筒下方，且与储料筒连通，环形电极与喷嘴保持同轴，环形电极固定在电极架上，电极架安装在储料筒上；所述环形电极与高压电源的输出端接通，高压电源与信号发生器连接并接地；所述电场驱动喷头模块固定在喷头安装架Ⅱ上，并在左右两侧分别设置激光器和CCD相机，激光器和CCD相机连接于喷头安装架Ⅱ上，喷头安装架Ⅱ安装在Z轴Ⅱ位移台上，Z轴Ⅱ位移台安装在Z轴Ⅱ安装平台上，Z轴Ⅱ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅱ，电场驱动喷头模块的储料筒上方设置供料管路和供气管路，所述供料管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密注射泵，精密注射泵安装在注射泵支架上；所述供气管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密调压表，再接通惰性气体瓶。作为进一步限定，所述安装平台保持水平，四个立柱等高且与安装平台垂直，X轴Ⅰ位移台与X轴Ⅱ位移台保持平行。作为进一步限定，所述喷嘴为武藏式针头或不锈钢喷嘴、玻璃针头(针头喷金导电处理)等，喷嘴内径范围1-200微米。作为进一步限定，所述电场驱动喷头模块采用高粘度纳米银浆、纳米镍/银等金属的溶液、改性液态金属等各种与基体粘附较好的导电液态材料作为共形天线的电路制造材料。作为进一步限定，所述惰性气体瓶优先采用高纯氮气瓶，也可以是氦气、氩气，精密调压表的工作范围是：0.1-8bar。作为进一步限定，所述激光器为光斑直径小于0.1毫米的细点激光器。作为进一步限定，所述激光器安装在激光器支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度之间可调节，激光器支架固定在喷头安装架Ⅱ上；所述CCD相机安装在相机支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：包括安装平台，所述安装平台上设置X轴Ⅰ位移台，X轴Ⅰ位移台上设置X轴Ⅰ安装台，X轴Ⅰ安装台上安装可倾回转工作台，可倾回转工作台上设置具有真空吸附和加热功能的打印床，打印床上吸附有打印衬底；所述打印衬底上方对应设置FDM喷头和电场驱动喷头模块，所述FDM喷头固定在喷头安装架Ⅰ上，喷头安装架Ⅰ安装在Z轴Ⅰ位移台上，Z轴Ⅰ位移台安装在Z轴Ⅰ安装平台上，Z轴Ⅰ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅰ，打印耗材从耗材支架经过托链Ⅰ进入FDM喷头；所述X轴Ⅱ位移台两端分别通过Y轴Ⅰ滑动连接装置、Y轴Ⅱ滑动连接装置与Y轴Ⅰ位移台和Y轴Ⅱ位移台安装连接，Y轴Ⅰ位移台安装在立柱Ⅱ和立柱Ⅲ顶部，Y轴Ⅱ位移台安装在立柱Ⅰ和立柱Ⅳ顶部，立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、立柱Ⅲ和立柱Ⅳ的底部分别固定安装在安装平台上，并与安装平台保持垂直；所述电场驱动喷头模块包括喷嘴、电极架、环形电极和储料筒，储料筒安装在储料筒固定架上，储料筒固定架与喷头安装架Ⅱ相连接，喷嘴同轴安装在储料筒下方，且与储料筒连通，环形电极与喷嘴保持同轴，环形电极固定在电极架上，电极架安装在储料筒上；所述环形电极与高压电源的输出端接通，高压电源与信号发生器连接并接地；所述电场驱动喷头模块固定在喷头安装架Ⅱ上，并在左右两侧分别设置激光器和CCD相机，激光器和CCD相机连接于喷头安装架Ⅱ上，喷头安装架Ⅱ安装在Z轴Ⅱ位移台上，Z轴Ⅱ位移台安装在Z轴Ⅱ安装平台上，Z轴Ⅱ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅱ，电场驱动喷头模块的储料筒上方设置供料管路和供气管路，所述供料管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密注射泵，精密注射泵安装在注射泵支架上；所述供气管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密调压表，再接通惰性气体瓶。...

【技术特征摘要】
1.一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：包括安装平台，所述安装平台上设置X轴Ⅰ位移台，X轴Ⅰ位移台上设置X轴Ⅰ安装台，X轴Ⅰ安装台上安装可倾回转工作台，可倾回转工作台上设置具有真空吸附和加热功能的打印床，打印床上吸附有打印衬底；所述打印衬底上方对应设置FDM喷头和电场驱动喷头模块，所述FDM喷头固定在喷头安装架Ⅰ上，喷头安装架Ⅰ安装在Z轴Ⅰ位移台上，Z轴Ⅰ位移台安装在Z轴Ⅰ安装平台上，Z轴Ⅰ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅰ，打印耗材从耗材支架经过托链Ⅰ进入FDM喷头；所述X轴Ⅱ位移台两端分别通过Y轴Ⅰ滑动连接装置、Y轴Ⅱ滑动连接装置与Y轴Ⅰ位移台和Y轴Ⅱ位移台安装连接，Y轴Ⅰ位移台安装在立柱Ⅱ和立柱Ⅲ顶部，Y轴Ⅱ位移台安装在立柱Ⅰ和立柱Ⅳ顶部，立柱Ⅰ、立柱Ⅱ、立柱Ⅲ和立柱Ⅳ的底部分别固定安装在安装平台上，并与安装平台保持垂直；所述电场驱动喷头模块包括喷嘴、电极架、环形电极和储料筒，储料筒安装在储料筒固定架上，储料筒固定架与喷头安装架Ⅱ相连接，喷嘴同轴安装在储料筒下方，且与储料筒连通，环形电极与喷嘴保持同轴，环形电极固定在电极架上，电极架安装在储料筒上；所述环形电极与高压电源的输出端接通，高压电源与信号发生器连接并接地；所述电场驱动喷头模块固定在喷头安装架Ⅱ上，并在左右两侧分别设置激光器和CCD相机，激光器和CCD相机连接于喷头安装架Ⅱ上，喷头安装架Ⅱ安装在Z轴Ⅱ位移台上，Z轴Ⅱ位移台安装在Z轴Ⅱ安装平台上，Z轴Ⅱ安装平台安装在X轴Ⅱ位移台上，X轴Ⅱ位移台上方设置有托链Ⅱ，电场驱动喷头模块的储料筒上方设置供料管路和供气管路，所述供料管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密注射泵，精密注射泵安装在注射泵支架上；所述供气管路经过托链Ⅱ，一端连接储料筒，另一端连接精密调压表，再接通惰性气体瓶。2.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述安装平台保持水平，四个立柱等高且与安装平台垂直，X轴Ⅰ位移台与X轴Ⅱ位移台保持平行。3.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述电场驱动喷头模块采用金属的溶液或改性液态金属导电液态材料作为共形天线的电路制造材料。4.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3D打印装置，其特征是：所述激光器安装在激光器支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度之间可调节，激光器支架固定在喷头安装架Ⅱ上；所述CCD相机安装在相机支架上，并与安装平台具有夹角，夹角在0-90度之间可调节，相机支架固定在喷头安装架Ⅱ上。5.如权利要求1所述的一种用于共形天线和电路一体化制造的3...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，周贺飞，杨建军，李涤尘，赵佳伟，许权，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37