一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于二自由度平衡环的曲面微笔直写成形装置，其中二自由度平衡环系统、气动导电油墨供料系统、曲面基板支撑系统均安装在平台支架上，曲面基板支撑的工作轴心与气动导电油墨供料系统的直写针头轴心重合，真空泵通过气管连接在曲面基板支撑系统的吸盘连接杆部分，电场电源正负极分别连接在气动导电油墨供料系统的直写针头部分和曲面基板支撑系统的电极部分，从而使固定在二自由度平衡环系统上的曲面基板处在直写针头与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。本发明专利技术使曲面基板的待直写区域时刻保持水平，可实现曲面基板上电路的直写成形，可以在形状比较复杂的随机曲面基板表面直写制备具有电学性能的微型电路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置
本专利技术涉及电子电路制造领域，具体涉及一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置。
技术介绍
微型印刷电路电子元器件的直写制造是近年来兴起的一种新型微型电路制造工艺。相比于传统制造工艺(光刻，化学蚀刻等)制作的微电子元器件，通过直写技术制造的应变片、薄膜电阻、薄膜电感、薄膜电容等器件拥有更小的体积和更好的性能。同时，相比传统制造工艺，微型电路的直写制造工艺污染更小，浪费原材料更少，环境友好度更高。此外，直写在柔性基底上的微型印刷电路电子元器件还拥有一定程度的弯折能力。但是目前为止，微电子元器件的直写工艺仍然局限在平面基底上。在平面基底上，通常的直写制造工艺是将平面基底放置在水平度很高的置物台上，通过微笔在平面基底上按设定程序移动并喷出导电油墨，经过后续处理得到得到平面基底上的直写电路成品。而在曲面基底上，一般的做法是利用扫描建模，先获得曲面基底的参数，然后通过多轴平台操纵微笔直写等装置获得在曲面上直写电路及电子元件的能力；或通过高精度距离传感器实时调整直写笔头与基板间距，实现曲面上直写电路及电子元件的能力。虽然上述方式原理较为成熟，但可惜的是，附加过多的多轴平台、精确扫描设备、传感器等装置会造成成本过高，维护保养困难，操作复杂等问题。随着微型电路工程领域技术进步，微型电路的制备已经不再局限于平面基底的直写制造，这对低成本的曲面电路直写提出了需求。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于，针对微型电路在随机曲面上的直写打印需求，提出一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，使得微型电路的直写技术在曲面基底上的制备成为现实，通过基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置可在随机曲面基底上制备出具有一定电学性能的微型电路，应用于电子电路制造领域。。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，包括二自由度平衡环系统、气动导电油墨供料系统、曲面基板支撑系统、二维移动单元及控制系统、平台支架、真空泵和电场电源；二维移动单元及控制系统包括：上步进电机丝杠和下步进电机丝杠；所述上步进电机丝杠固定在所述下步进电机丝杠的滑块上；所述平台支架自上而下依次分为上部、中部和下部；所述二自由度平衡环系统固定在所述上步进电机丝杠滑块上，所述下步进电机丝杠固定在平台支架上的中部；所述气动导电油墨供料系统安装在平台支架的上部；所述曲面基板支撑系统安装在平台支架的下部，且所述曲面基板支撑系统的工作轴心与气动导电油墨供料系统的直写针头轴心重合；所述真空泵通过气管连接在曲面基板支撑系统的吸盘连接杆部分；所述电场电源正负极分别连接在气动导电油墨供料系统的直写针头部分和曲面基板支撑系统的电极部分；从而使固定在二自由度平衡环系统上的待直写曲面基板处在直写针头与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。进一步地，所述二自由度平衡环系统包括平衡环支架、平衡外环和带有曲面基板固定装置的平衡内环；所述平衡环支架固定在二维移动单元及控制系统的上步进电机丝杠的滑块上；所述平衡外环外侧面通过转轴与平衡环支架相连；所述带有曲面基板固定装置的平衡内环通过转轴与平衡外环的内侧面相连，两组转轴在同一水平面上并相互垂直。进一步地，所述曲面基板固定装置为G型夹；至少两个所述G型夹沿所述平衡内环等间距设置。进一步地，所述气动导电油墨供料系统包括：气压泵及控制装置、直写针头、注射器筒体、气管扣件、气管、注射器夹持装置、高度微调装置、直写联动滑块和直写联动滑轨；所述直写联动滑轨固定在平台支架上部，所述直写联动滑块套在直写联动滑轨上；所述高度微调装置固定在直写联动滑块上；所述注射器夹持装置固定在高度微调装置上；所述注射器筒体安装在注射器夹持装置上；所述气管扣件安装在注射器筒体上，所述气压泵及控制装置通过气管连接至气管扣件上；所述直写针头安装在注射器筒体上；在气压泵及控制装置产生的稳定气压下推动注射器筒体内的活塞进行导电油墨的挤出。进一步地，所述曲面基板支撑系统包括支撑杆、真空海绵吸盘、吸盘连接杆、三个万向球、支撑杆弹簧、支撑杆滑块和支撑杆滑轨；所述支撑杆滑轨固定在平台支架上，所述支撑杆滑块套在支撑杆滑轨上；所述支撑杆固定在支撑杆滑块上；所述万向球固定在支撑杆上，所述吸盘连接杆固定在支撑杆上；所述真空海绵吸盘固定在吸盘连接杆上；所述支撑杆弹簧固定在支撑杆和平台支架之间；所述真空泵连接在吸盘连接杆上，真空海绵吸盘通过真空泵产生的吸力将固定在平衡内环上的待直写曲面基板与三个万向球贴合，三个万向球形成的平面为水平，与二自由度平衡环系统的摇摆作用共同保证曲面基板的待直写区域时刻保持水平。进一步地，所述万向球的材质为尼龙，塑料和橡胶中的一种。进一步地，所述二维移动单元及控制系统还包括：计算机及电机驱动装置；所述计算机及电机驱动装置与上步进电机丝杠和下步进电机丝杠上的步进电机相连接，形成控制回路。进一步地，所述平台支架上固定有两个联动摇臂和一个联动杆；所述两个联动摇臂分别与气动导电油墨供料系统和曲面基板支撑系统连接，所述联动杆连接两个联动摇臂；两个联动摇臂和联动杆的联动作用：将曲面基板支撑系统的支撑杆在直写过程中，由于待直写曲面基板的摇摆产生的上下位移，传递至气动导电油墨供料系统处，使得直写针头相对于待直写曲面基板的距离保持不变。进一步地，所述平台支架的材质为铝合金和不锈钢中的一种。本专利技术优点在于，本专利技术提供的基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置：(1)本专利技术充分利用二自由度平衡环，借助二自由度平衡环的摇摆运动和装置中其他构件的运动功能，从而使曲面基板的待直写区域时刻保持水平。(2)本专利技术能够实现形状比较复杂的随机曲面基板上的微型电路的直写制备，满足微型电路的性能要求,能够对曲面电路直写进行初步试验；另外，本专利技术各部分均为模块化制造，易于组装维修。(3)本专利技术主要通过机械部件联动实现曲面基板上微型电路的直写制备，装置内没有距离传感器及扫描设备，制造成本较低。(4)本专利技术可在任意非展开曲面上成型图案；只需计算机输入直写图形的相关尺寸参数，对曲面的共形通过联动机械结构完成，无需通过计算机开发程序建立曲面模型，无需复杂运算。附图说明图1为本专利技术实施例提供的基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置的结构图；图2为本专利技术实施例提供的二自由度平衡环系统结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置的逻辑控制图；附图中：Ⅰ、二自由度平衡环系统；Ⅱ、气动导电油墨供料系统；Ⅲ、曲面基板支撑系统；Ⅳ、二维移动单元及控制系统；5、平台支架；6、真空泵；7、电场电源；8、平衡环支架；9、平衡外环；10、平衡内环；11、气压泵及控制装置；12、直写针头；13、注射器筒体；14、气管扣件；15、气管；16本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，包括二自由度平衡环系统(Ⅰ)、气动导电油墨供料系统(Ⅱ)、曲面基板支撑系统(Ⅲ)、二维移动单元及控制系统(Ⅳ)、平台支架(5)、真空泵(6)和电场电源(7)；/n二维移动单元及控制系统(Ⅳ)包括：上步进电机丝杠(28)和下步进电机丝杠(29)；所述上步进电机丝杠(28)固定在所述下步进电机丝杠(29)的滑块上；/n所述平台支架(5)自上而下依次分为上部、中部和下部；/n所述二自由度平衡环系统(Ⅰ)固定在所述上步进电机丝杠(28)滑块上，所述下步进电机丝杠(29)固定在平台支架上(5)的中部；/n所述气动导电油墨供料系统(Ⅱ)安装在平台支架(5)的上部；/n所述曲面基板支撑系统(Ⅲ)安装在平台支架(5)的下部，且所述曲面基板支撑系统(Ⅲ)的工作轴心与气动导电油墨供料系统(Ⅱ)的直写针头(12)轴心重合；/n所述真空泵(6)通过气管(15)连接在曲面基板支撑系统(Ⅲ)的吸盘连接杆(22)部分；/n所述电场电源(7)正负极分别连接在气动导电油墨供料系统(Ⅱ)的直写针头(12)部分和曲面基板支撑系统(Ⅲ)的电极部分；从而使固定在二自由度平衡环系统(Ⅰ)上的待直写曲面基板处在直写针头(12)与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，包括二自由度平衡环系统(Ⅰ)、气动导电油墨供料系统(Ⅱ)、曲面基板支撑系统(Ⅲ)、二维移动单元及控制系统(Ⅳ)、平台支架(5)、真空泵(6)和电场电源(7)；
二维移动单元及控制系统(Ⅳ)包括：上步进电机丝杠(28)和下步进电机丝杠(29)；所述上步进电机丝杠(28)固定在所述下步进电机丝杠(29)的滑块上；
所述平台支架(5)自上而下依次分为上部、中部和下部；
所述二自由度平衡环系统(Ⅰ)固定在所述上步进电机丝杠(28)滑块上，所述下步进电机丝杠(29)固定在平台支架上(5)的中部；
所述气动导电油墨供料系统(Ⅱ)安装在平台支架(5)的上部；
所述曲面基板支撑系统(Ⅲ)安装在平台支架(5)的下部，且所述曲面基板支撑系统(Ⅲ)的工作轴心与气动导电油墨供料系统(Ⅱ)的直写针头(12)轴心重合；
所述真空泵(6)通过气管(15)连接在曲面基板支撑系统(Ⅲ)的吸盘连接杆(22)部分；
所述电场电源(7)正负极分别连接在气动导电油墨供料系统(Ⅱ)的直写针头(12)部分和曲面基板支撑系统(Ⅲ)的电极部分；从而使固定在二自由度平衡环系统(Ⅰ)上的待直写曲面基板处在直写针头(12)与曲面基板支撑系统电极之间形成的静电电场中。


2.根据权利要求1所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述二自由度平衡环系统(Ⅰ)包括平衡环支架(8)、平衡外环(9)和带有曲面基板固定装置的平衡内环(10)；
所述平衡环支架(8)固定在二维移动单元及控制系统(Ⅳ)的上步进电机丝杠(28)的滑块上；
所述平衡外环(9)外侧面通过转轴与平衡环支架(8)相连；所述带有曲面基板固定装置的平衡内环(10)通过转轴与平衡外环(9)的内侧面相连，两组转轴在同一水平面上并相互垂直。


3.根据权利要求2所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述曲面基板固定装置为G型夹(101)；至少两个所述G型夹沿所述平衡内环(10)等间距设置。


4.根据权利要求2所述的一种基于二自由度平衡环的曲面微笔静电直写成形装置，其特征在于，所述气动导电油墨供料系统(Ⅱ)包括：气压泵及控制装置(11)、直写针头(12)、注射器筒体(13)、气管扣件(14)、气管(15)、注射器夹持装置(16)、高度微调装置(17)、直写联动滑块(18)和直写联动滑轨(19)；
所述直写联动滑轨(19)固定在平台支架(5)上部，所述直写联动滑块(18)套在直写联动滑轨(19)上；所述高度微调装置(17)固定在直写联动滑块(18)上；所述注射器夹持装置(16)固定在高度微调装置(17)上；所述注射器筒体...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭鹏，栾振宇，刘艳改，郭伟，周兴汶，王欣达，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11