[發(fā)明專利]多材料激光直寫共形系統(tǒng)與方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410362772.X
• 申請(qǐng)日: 2014-07-28
• 公開（公告）號(hào): CN104260360A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 段宣明;曹良成;曹洪忠;范樹遷;劉基權(quán);俆佼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): B29C67/04
• 分類號(hào): B29C67/04;B22F3/105;C04B35/64
• 代理公司: 北京同恒源知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11275
• 代理人: 王貴君

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于快速成型領(lǐng)域，涉及一種多材料激光直寫共形系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)

三維模塑互連器件或電子組件(3D-MID)技術(shù)是指在工件殼體的表面，制作有電氣功能的三維立體電路。3D-MID技術(shù)目前主要包括雙模注塑成型(2?Shot?MID)及激光鐳射成型(LDS?MID)兩種方式，并主要以LDS應(yīng)用為主。3D-MID的主要優(yōu)勢(shì)包括：(1)三維電路載體，線路高度集成；(2)導(dǎo)電圖形加工步驟少，制造流程短；(3)制作后的結(jié)構(gòu)更輕更小，節(jié)約設(shè)計(jì)空間；(4)同時(shí)滿足開發(fā)設(shè)計(jì)中的多次驗(yàn)證修改，減少設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間；(5)高精度，線寬達(dá)0.10mm。3D-MID技術(shù)在美日歐等發(fā)達(dá)國家、地區(qū)已被較廣泛的應(yīng)用于通訊、汽車電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)電設(shè)備、醫(yī)療器械等行業(yè)領(lǐng)域。LDS目前最主要的應(yīng)用是無限通訊產(chǎn)品，主要為智能手機(jī)天線及無限支付。目前幾乎所有智能手機(jī)的公司均使用3D-MID天線，如Nokia、Apple、Moto、SEMC、Samsung、Blackberry、華為、中興等。

電氣功能3D電路結(jié)構(gòu)往往由多材料、多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成，發(fā)展多材料多工藝一體化的3D-MID技術(shù)及系統(tǒng)是今后的重要方向。功能3D電路大都包括：介電層、導(dǎo)電線路、冷卻通道、保護(hù)層等多層結(jié)構(gòu)，不同層對(duì)材料種類和制造工藝均提出了不同的要求，如：介電層需要在工件表面布局穩(wěn)定的絕緣材料，導(dǎo)電線路需要按特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布金屬導(dǎo)線(金、銀、銅、鎳等)，冷卻通道需要設(shè)計(jì)成水冷或風(fēng)冷的聯(lián)通復(fù)雜管線，保護(hù)層則需要強(qiáng)度較高的材料共形結(jié)構(gòu)。同時(shí)，不同的材料與結(jié)構(gòu)要求相對(duì)應(yīng)的加工原理、工藝和設(shè)備。噴墨打印技術(shù)(ink-jet)在制備共形線路由其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，該工藝大都采用多維移動(dòng)臺(tái)握持打印頭，按規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)過程中將材料用噴墨的方式涂覆到固定的工件表面，經(jīng)整體燒結(jié)及其它后處理后得到共形線路。現(xiàn)有噴墨打印技術(shù)及設(shè)備存在以下問題：(1)打印材料單一，(2)打印頭處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，流量難以控制，影響成型精度，(3)布線完成后需整體燒結(jié)，非實(shí)時(shí)燒結(jié)成型，(4)龍門式移動(dòng)臺(tái)在3D空間存在加工死角等。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種可在任意不規(guī)則表面打印多種材料，布線與燒結(jié)同步完成的多材料激光直寫共形系統(tǒng)與方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：包括真空密封箱、多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂、多材料激光直寫頭及對(duì)各組成部分進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)；所述機(jī)械手臂與激光直寫頭設(shè)置在密封箱內(nèi)；所述激光直寫頭包括直寫頭本體、激光器及材料筒，所述直寫頭本體上設(shè)有分別與激光器及材料筒相連通的材料通道和激光聚焦通道，所述材料筒至少為兩組，并列設(shè)置在直寫頭本體上。

進(jìn)一步，所述激光聚焦通道為包裹在材料通道外圍的環(huán)形通道，所述材料通道與所述激光聚焦通道同軸設(shè)置。

進(jìn)一步，所述直寫頭本體上還設(shè)有用于噴吹惰性氣體的氣體通道，所述氣體通道位于激光聚焦通道外側(cè)。

進(jìn)一步，所述控制系統(tǒng)包括控制材料筒出料的材料控制器、與氣體通道相連通的氣體控制器、控制機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手控制器。

進(jìn)一步，所述機(jī)械手臂前端設(shè)有用于抓緊工件的夾爪。

進(jìn)一步，所述材料通道底部設(shè)有出料頭。

本發(fā)明還提供了一種利用上述多材料激光直寫共形系統(tǒng)的直寫共形方法，主要包括以下步驟：

(1)規(guī)劃機(jī)械手臂的工件共形路徑，并將待加工工件夾持在機(jī)械手臂的夾爪上；

(2)機(jī)械手臂帶動(dòng)工件沿設(shè)定路徑移動(dòng)，材料控制器選擇相應(yīng)的材料筒，出料頭按材料控制器輸出的材料種類和時(shí)間送出材料并使其附著到工件表面上，同時(shí)，從激光聚焦通道射出的激光對(duì)附著料進(jìn)行固化或燒結(jié)成型；

(3)完成一層附著料的固化或燒結(jié)成型后，機(jī)械手臂帶動(dòng)工件向下移動(dòng)，進(jìn)行下一層面構(gòu)建。

進(jìn)一步，所述材料筒內(nèi)的材料為樹脂、生物細(xì)胞、金屬、陶瓷微納顆粒及其復(fù)合材料中的一種或幾種。

進(jìn)一步，所述材料的粘度值為1cp-5p。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)機(jī)械手臂可調(diào)范圍廣，重復(fù)定位精度高，與激光直寫頭相互配合，分別實(shí)現(xiàn)水平方向上位置調(diào)節(jié)及不同層面的材料鋪設(shè)及燒結(jié)，減小甚至消除了現(xiàn)有移動(dòng)臺(tái)的加工死角。

(2)激光直寫頭固定設(shè)置，易于控制流量，成型精度高。

(3)激光直寫頭可供給多種打印材料，解決了現(xiàn)有設(shè)備打印材料單一的問題，同時(shí)提高了材料的更換效率。