近年來，集成在曲面的共形電子電路因其在健康監(jiān)測與診斷、運(yùn)動傳感、可穿戴設(shè)備、天線以及光電子器件等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。

增材制造技術(shù)能夠接在曲面上打印，為電路設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性，并能更好地適應(yīng)復(fù)雜的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。采用創(chuàng)新的電液動力學(xué)（EHD）打印策略，能夠在各種曲面上直接打印出具有微米級分辨率和高均勻性的導(dǎo)電電路。

采用新拓三維XTOM高精度藍(lán)光三維掃描儀，可從掃描的高質(zhì)量三維點(diǎn)云中，獲取電路表面的曲面形態(tài)與表面形態(tài)3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)曲面的曲率提升打印精度，有助于在曲率范圍為10至2000m-1的不同表面上均勻地EHD打印線寬為39.31±4.06微米的導(dǎo)電圖案。

XTOM高精度藍(lán)光三維掃描儀，可用于高效獲取自由曲面的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合Python軟件進(jìn)行導(dǎo)電特征的后續(xù)設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃。藍(lán)光3D掃描、路徑規(guī)劃和速度自適應(yīng)電液動力打印的集成方法，能夠直接在各種曲面上打印出具有微米級分辨率和高均勻性的導(dǎo)電電路。

在現(xiàn)有的諸如噴墨或擠出式打印等技術(shù)，無法在具有曲率變化的直由曲面上沉積出微來級的貼合導(dǎo)電電路。

1、采用一種創(chuàng)新的電液動力學(xué)（EHD）打印策略，可根據(jù)曲面的曲率自適應(yīng)地調(diào)整噴嘴與基底的距離以及打印速度，直接在各種由面打印出具有微采級分辨率和高均勻性的導(dǎo)電電路。

2、開發(fā)了一種路徑規(guī)劃算法，該算法能夠根據(jù)曲面的曲率變化來規(guī)劃打印路徑，從實(shí)現(xiàn)高精度的曲面導(dǎo)電電路打印。

作為概念驗(yàn)證，在直然絕緣的海螺殼上EHD打印出具有良好導(dǎo)電性的均勻雪化圖案，最小線寬為35.74±4.24微米。

圖1.在不同曲面目標(biāo)上進(jìn)行共形EHD打印的3D路徑規(guī)劃和平臺設(shè)置流程圖。

（a）對自由曲面進(jìn)行3D掃描以獲取代表目標(biāo)表面信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（b）使用KNN算法將設(shè)計(jì)的2D圖案投影到目標(biāo)表面以獲得相應(yīng)的投影3D點(diǎn)（i）（ii）的示意圖。（c）將投影點(diǎn)偏移為EHD打印的軌跡點(diǎn)。（d）共形EHD打印平臺和（e）在海螺表面制造導(dǎo)電圖案的自適應(yīng)速度共形EHD打印策略示意圖。

自由曲面的共形EHD打印三維路徑規(guī)劃

路徑規(guī)劃對于在EHD制造過程中，建立從采用XTOM藍(lán)光三維掃描儀獲得的3D數(shù)據(jù)模型曲面信息與實(shí)際打印軌跡之間的聯(lián)系至關(guān)重要。

上圖展示了通過3D掃描和路徑規(guī)劃，在自由曲面進(jìn)行共形EHD打印的關(guān)鍵步驟。

1、使用新拓三維XTOM高精度藍(lán)光3D掃描儀，快速獲取目標(biāo)曲面（即基底）的形態(tài)。

2、將掃描的表面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以在投影三維坐標(biāo)系中描述曲面基底的信息。

3、在掃描模型的頂面構(gòu)建二維平面，用一組分散的點(diǎn)定義二維圖案，通過KNN算法將這些點(diǎn)投影到曲面上,調(diào)整參數(shù)將二維數(shù)據(jù)映射到二維坐標(biāo)。

4、對預(yù)測的點(diǎn)進(jìn)行偏移，以生成最終的打印軌跡點(diǎn)-作為在各種基底上進(jìn)行共形EHD打印的路徑。共形EHD打印平臺，在各種基底上打印各種復(fù)雜自由曲面螺面圖案。

優(yōu)化工藝參數(shù)提升EHD打印精度

優(yōu)化諸如投影點(diǎn)數(shù)量以及路徑規(guī)劃相關(guān)的KNN算法參數(shù)等工藝參數(shù)，對于確保電液動力EHD打印精度和效率至關(guān)重要。

1、采用XTOM高精度藍(lán)光三維掃描儀，獲取高密度掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，設(shè)計(jì)的二維圖案點(diǎn)作為測試數(shù)據(jù)集，用于KNN算法訓(xùn)練，用于打印路徑規(guī)劃中的優(yōu)化。

2、采用藍(lán)光三維掃描技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過在掃描路徑中優(yōu)化投影點(diǎn)數(shù)量，提升打印的圖案保真度和移動平臺的穩(wěn)定性。

3、通過優(yōu)化在曲面進(jìn)行電液噴射（EHD）打印的閾值，以恒定的10毫米/秒的打印速度，電液噴射打印出了連續(xù)性和高保真度的雪花圖案。

圖2.基于所選閾值路徑規(guī)劃算法中投影敎據(jù)的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)EHD在自由曲面上打印高保真圖案的同時(shí)保持移動平臺的穩(wěn)定定性

(a)設(shè)計(jì)的和掃描的目標(biāo)曲面輪廓的比較。(b)使用不同度量標(biāo)準(zhǔn)對測試性能和訓(xùn)練性能進(jìn)進(jìn)行的精度比較。(c)基于優(yōu)化的KNN算法獲取的雪花圖案的投影點(diǎn)。(d)不同閾值設(shè)置的打印路徑投影點(diǎn)。(e)在四種不同閾值下的EHD打印雪花圖案。(f)在四種不同閾值下軌跡點(diǎn)對曲面的適應(yīng)性。比例尺：1亳米。

在電子打印領(lǐng)域，3D掃描技術(shù)主要與直接墨水寫（DIW）工藝相結(jié)合，在曲面上制造貼合電路。然后，通過直接墨水書寫工藝貼合的電路，分辨率通常大于1毫米。3D掃描與直接激光書寫相結(jié)合，可以制作出線寬最小為100微米的貼合電路。

采用XTOM高精度藍(lán)光三維掃描儀，與路徑規(guī)劃/速度自適應(yīng)電液動力打印的集成方法，能夠直接在各種曲面上打印出具有微米級分辨率和高均勻性的導(dǎo)電電路。隨著電液噴射打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有望簡化彎曲功能器件的制造工藝，為具有電磁調(diào)節(jié)等更具復(fù)雜功能的先進(jìn)三維電子器件鋪平道路。

案例摘自：【岳俊宇，西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 面向自由曲面微尺度共形電路的流速自適應(yīng)電液噴印技術(shù)】