多材料激光直寫共形系統與方法
【專利摘要】本發明公開了一種多材料激光直寫共形系統及方法，包括真空密封箱、多關節機械手臂、多材料激光直寫頭及對各組成部分進行控制的控制系統；所述機械手臂與激光直寫頭設置在密封箱內；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，并列設置在直寫頭本體上；具體過程為機械手臂帶動工件沿設定路徑移動，材料控制器選擇相應的材料筒，出料頭送出材料并使其附著到工件表面上，同時，從激光聚焦通道射出的激光對附著料進行固化或燒結成型；該發明控制過程簡單、成型精度高，實現了連續生產，提高了生產效率。
【專利說明】多材料激光直寫共形系統與方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于快速成型領域，涉及一種多材料激光直寫共形系統與方法。

【背景技術】
[0002]三維模塑互連器件或電子組件(3D-MID)技術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應用為主。3D-MID的主要優勢包括:(I)三維電路載體，線路高度集成；(2)導電圖形加工步驟少，制造流程短；(3)制作后的結構更輕更小，節約設計空間；(4)同時滿足開發設計中的多次驗證修改，減少設計開發時間；(5)高精度，線寬達0.10mm。3D-MID技術在美日歐等發達國家、地區已被較廣泛的應用于通訊、汽車電子、計算機、機電設備、醫療器械等行業領域。LDS目前最主要的應用是無限通訊產品，主要為智能手機天線及無限支付。目前幾乎所有智能手機的公司均使用3D-MID天線，如Nokia、Apple、Moto、SEMC> Samsung、Blackberry、華為、中興等。
[0003]電氣功能3D電路結構往往由多材料、多結構設計而成，發展多材料多工藝一體化的3D-MID技術及系統是今后的重要方向。功能3D電路大都包括:介電層、導電線路、冷卻通道、保護層等多層結構，不同層對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定的絕緣材料，導電線路需要按特定的結構設計布金屬導線(金、銀、銅、鎳等)，冷卻通道需要設計成水冷或風冷的聯通復雜管線，保護層則需要強度較高的材料共形結構。同時，不同的材料與結構要求相對應的加工原理、工藝和設備。噴墨打印技術(ink-jet)在制備共形線路由其獨特的優勢，該工藝大都采用多維移動臺握持打印頭，按規劃路徑運動，并在運動過程中將材料用噴墨的方式涂覆到固定的工件表面，經整體燒結及其它后處理后得到共形線路。現有噴墨打印技術及設備存在以下問題:(I)打印材料單一，
(2)打印頭處于運動狀態，流量難以控制，影響成型精度，(3)布線完成后需整體燒結，非實時燒結成型，(4)龍門式移動臺在3D空間存在加工死角等。


【發明內容】

[0004]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種可在任意不規則表面打印多種材料，布線與燒結同步完成的多材料激光直寫共形系統與方法。
[0005]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:包括真空密封箱、多關節機械手臂、多材料激光直寫頭及對各組成部分進行控制的控制系統；所述機械手臂與激光直寫頭設置在密封箱內；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，并列設置在直寫頭本體上。
[0006]進一步，所述激光聚焦通道為包裹在材料通道外圍的環形通道，所述材料通道與所述激光聚焦通道同軸設置。
[0007]進一步，所述直寫頭本體上還設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。
[0008]進一步，所述控制系統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、控制機械手臂運動的機械手控制器。
[0009]進一步，所述機械手臂前端設有用于抓緊工件的夾爪。
[0010]進一步，所述材料通道底部設有出料頭。
[0011]本發明還提供了一種利用上述多材料激光直寫共形系統的直寫共形方法，主要包括以下步驟:
[0012](I)規劃機械手臂的工件共形路徑，并將待加工工件夾持在機械手臂的夾爪上；
[0013](2)機械手臂帶動工件沿設定路徑移動，材料控制器選擇相應的材料筒，出料頭按材料控制器輸出的材料種類和時間送出材料并使其附著到工件表面上，同時，從激光聚焦通道射出的激光對附著料進行固化或燒結成型；
[0014](3)完成一層附著料的固化或燒結成型后，機械手臂帶動工件向下移動，進行下一層面構建。
[0015]進一步，所述材料筒內的材料為樹脂、生物細胞、金屬、陶瓷微納顆粒及其復合材料中的一種或幾種。
[0016]進一步,所述材料的粘度值為lcp_5p。
[0017]本發明的有益效果在于:
[0018](I)機械手臂可調范圍廣，重復定位精度高，與激光直寫頭相互配合，分別實現水平方向上位置調節及不同層面的材料鋪設及燒結，減小甚至消除了現有移動臺的加工死角。
[0019](2)激光直寫頭固定設置，易于控制流量，成型精度高。
[0020](3)激光直寫頭可供給多種打印材料，解決了現有設備打印材料單一的問題，同時提高了材料的更換效率。
[0021](4)預置材料與固化或燒結成型同步進行，提高了材料的燒結利用率(達到或接近100%，現有技術中的燒結利用率為60% )，實現了連續生產，提高了生產效率。
[0022](5)本發明應用范圍廣泛，尤其適用于儀器儀表及生物醫藥行業中的復雜3D結構打印；如儀器儀表的共形天線、共形傳感器、及具有電氣功能的多材料復雜3D結構等，生物醫藥方面的個性化生物支架、結構可控的藥物靶體等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:
[0024]圖1為本發明的系統示意圖；
[0025]圖2為激光直寫頭第一實施例不意圖；
[0026]圖3為激光直寫頭第二實施例示意圖；
[0027]圖4為激光直寫頭第三實施例示意圖。

【具體實施方式】
[0028]下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0029]如圖1、2所示，本發明所述的多材料激光直寫共形系統，包括真空密封箱1、多關節機械手臂2、多材料激光直寫頭3及對各組成部分進行控制的控制系統；所述機械手臂2與激光直寫頭3設置在密封箱內I ;所述激光直寫頭3包括直寫頭本體4、激光器5及材料筒6，所述直寫頭本體4上設有分別與激光器5及材料筒6相連通的材料通道7和激光聚焦通道8，激光聚焦通道8外側還設有用于噴吹惰性氣體的氣體通道9，所述材料筒6至少為兩組，并列設置在直寫頭本體4上。
[0030]控制系統包括控制材料筒6出料的材料控制器10、與氣體通道9相連通的氣體控制器11及控制機械手臂2運動的機械手控制器；激光直寫頭3、機械手臂2及控制系統可以共同集成到密封箱I內；具體的，材料控制器10用作材料種類的更替、材料出料量及時間的控制，機械手控制器用作工件12表面共形三維圖案的路徑規劃，氣體控制器11用作惰性氣體的流量及開關時間的控制，以實現真空或惰性氣體保護下的激光直寫共形。
[0031]在本實施例中，如圖1所示，機械手臂2固定在密封箱I底部，激光直寫頭3固定在密封箱I上，機械手臂2前端設有用于抓緊工件12的夾爪，夾爪可根據實際需求進行改進設計，以適應不同形貌的工件12夾持；工件12加持在夾爪上后，機械手臂2帶動工件12水平移動，實現水平方向上的成型及高度方向上的層層堆砌，完成一層附著料的固化或燒結成型后，機械手臂帶動工件向下移動，進行下一層面構建；機械手臂2為3-6軸多自由度機械手臂，活動范圍大，定位精度高，水平方向上的重復定位精度為0.1-20 μ m。
[0032]本實施例中，如圖2所示，材料通道7、激光聚焦通道8及氣體通道9由內向外依次同軸設置在直寫頭本體4上，激光聚焦通道8及氣體通道9對應與激光器5及氣體控制器11相連通；此處激光器5通過激光聚焦通道8輸出環形聚焦激光，即材料從材料通道7輸出的同時被同軸輸出的環形激光環繞，隨著工件12在XY水平方向的移動，實現預置材料的同步固化或燒結成型，提高了材料(流體、漿料或粉末材料)的燒結利用率(達到或接近100% )，惰性氣體通道9則實現了激光燒結過程中材料的無氧保護。
[0033]本實施例中的材料筒6為三組，并聯設置在直寫頭本體4上端，可手動完成不同材料的更替及多材料的同時添加過程，當然，也可將材料筒6設置成電控形式，提高其自動化程度。
[0034]對于激光直寫頭3結構，還有第二種變形形式，如圖3所示，即在直寫頭本體4上外加一個用于噴吹惰性氣體的氣管13作為氣體通道，在直寫頭本體4大小不變的情況下，外設氣體通道9 (此處為氣管13)，可增大材料通道7或激光聚焦通道8的管徑大小，提高出料率或固化/燒結率。
[0035]對于激光直寫頭3結構，還有第三種變形形式，如圖4所示，即材料通道7僅與一個材料筒6相連通，出料頭14直接設置在材料筒6底部，更換材料時，需調節材料筒位置，該結構能夠顯著降低原材料的殘留率。
[0036]作為上述方案的進一步改進，所述材料通道底部設有出料頭14，便于精確掌控材料的出料量及出料速度。
[0037]本發明不局限于激光固化或燒結，具有固化作用的紫外光也同樣適用，操作中還可通過改變材料的種類或形態，激光/紫外光的功率大小，實現激光/紫外光熔覆近凈成形。
[0038]利用上述多材料激光直寫共形系統的共形方法，主要包括以下步驟:
[0039](I)規劃機械手臂2的工件12共形路徑，并將待加工工件12夾持在機械手臂2的夾爪上；
[0040](2)機械手臂2帶動工件12沿設定路徑移動，材料控制器10選擇相應的材料筒6，出料頭14按材料控制器10輸出的材料種類和時間送出材料并使其附著到工件12表面上，同時，從激光聚焦通道8射出的激光對附著料進行固化或燒結成型；
[0041](3)完成一層附著料的固化或燒結成型后，機械手臂2帶動工件12向下移動，繼續進行下一層面構建。
[0042]材料筒內的材料可為樹脂、生物細胞、金屬、陶瓷微納顆粒及其復合材料中的一種或幾種，材料的粘度值為lcp-5p。
[0043]最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【權利要求】
1.一種多材料激光直寫共形系統，其特征在于:包括真空密封箱、多關節機械手臂、多材料激光直寫頭及對各組成部分進行控制的控制系統；所述機械手臂與激光直寫頭設置在密封箱內；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，并列設置在直寫頭本體上。
2.根據權例要求I所述的多材料激光直寫共形系統，其特征在于:所述激光聚焦通道為包裹在材料通道外圍的環形通道，所述材料通道與所述激光聚焦通道同軸設置。
3.根據權例要求2所述的多材料激光直寫共形系統，其特征在于:所述直寫頭本體上還設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。
4.根據權例要求3所述的多材料激光直寫共形系統，其特征在于:所述控制系統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、控制機械手臂運動的機械手控制器。
5.根據權例要求I所述的多材料激光直寫共形系統，其特征在于:所述機械手臂前端設有用于抓緊工件的夾爪。
6.根據權例要求I所述的多材料激光直寫共形系統，其特征在于:所述材料通道底部設有出料頭。
7.一種利用權利要求1-6任一項所述的多材料激光直寫共形系統的直寫共形方法，其特征在于主要包括以下步驟: (1)規劃機械手臂的工件共形路徑，并將待加工工件夾持在機械手臂的夾爪上； (2)機械手臂帶動工件沿設定路徑移動，材料控制器選擇相應的材料筒，出料頭按材料控制器輸出的材料種類和時間送出材料并使其附著到工件表面上，同時，從激光聚焦通道射出的激光對附著料進行固化或燒結成型； (3)完成一層附著料的固化或燒結成型后，機械手臂帶動工件向下移動，進行下一層面構建。
8.根據權例要求7所述的多材料激光直寫共形方法，其特征在于:所述材料筒內的材料為樹脂、生物細胞、金屬、陶瓷微納顆粒及其復合材料中的一種或幾種。
9.根據權例要求8所述的多材料激光直寫共形方法，其特征在于:所述材料的粘度值為 lcp-5p。
【文檔編號】B29C67/04GK104260360SQ201410362772
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】段宣明, 曹良成, 曹洪忠, 范樹遷, 劉基權, 俆佼 申請人:中國科學院重慶綠色智能技術研究院