第1章绪论
1.1课题的研究背景
随着科技的发展和现代生活水平的提高，人们对电子消费品的要求越来越高，超薄超轻的电子类产品是电子迷们永远的追求，iPhone、iPad在全球的热卖也反映出人们对消费电子高品质的青睐[1]。正是现代人对电子类设备的追求和享用，促使了印制电子技术的产生和发展。“印制电子”（Printed Electronics) [2’3]是最近十年发展起来的一种新型的交叉学科，它是基于印刷方法制作电子器件，将有机导体和有机半导体、超导体、有机绝缘材料或导电材料通过印刷方法形成导电线路和图形，常常被人们称作为“塑料电子”（Plastic Electronics)⑷。未来发展目标是用于工业上直接形成整个印制线路板。“印制电子法”[5]，这是一个广义的概念，狭义上理解就是应用印刷技术的电子线路制作技术，它包括PCB (线路板印刷）、OLED (有机体发光二极管）、LCD、LED以及最新的RFID (射频识别）[6]。传统利用单晶桂制造半导体器件的工艺流程十分复杂，包括光刻、电镀等一系列生产步骤，其中大部分制作过程都必须要在超净室中操作，或者需要在超真空环境中生产。而电子元件的可印刷性提供了一个可实现低成本生产的机遇,这让一些新型消耗性电子产品，包括电子标签、印刷电子显示器、印刷电池和印刷集成电路成为可能[7]。图形印刷术能实现低成本的礼遇其极高的吞吐量，并且所有生产过程都可以在室内环境中完成，而且无需昂贵洁净室操作，表1.1列出了当前主要印制电子产品应用领域和特点。
现在，微电子工业领域利用了各种印刷技术[8]，包括接触式和非接触式。接触式印刷一般是在模板上将高粘度材料如爆膏、导电胶等一些材料压印在集成电路板上形成导电线路。非接触印刷则用来处理低粘度的功能性油墨材料[9],例如，导电墨水、液态辉剂、电解质膜、抗静电层和环境隔离层材料。这些材料可以是水溶性的，也可以是溶在溶剂中，经过热处理之后可以除去溶剂。另外对于一些对热固性材料，在印刷结束后则需要经过固化处理，一般采用加热箱加热或者采用紫外照射等一些处理方式。印制电子喷墨打印“]作为印刷电子技术中一种备受青睐的工艺技术，它应用极广，特别针对于大面积或者阵列电子器件可以像传统打印机那样大批量的印制电路板。另外喷墨打印作为一种新型的工艺技术具有以下几种特点，首先，它将导电溶剂通过喷头喷射墨滴到基材上形成任何想要形状的微电子线路，适用于各种印刷材料，既包括印刷无机材料，也可印刷有机电子材料。而且各种基材上都可以实现完美打印，既可以在刚性衬底（娃、玻璃、不锈钢）上印刷，也可以在柔性衬底上（如塑料或纸等）印刷。其次，喷墨电子打印电路具有薄、轻、灵活、可弃性、透明性、大尺寸以及可定制光学特性，再加上低成本和更快的周期速度等优势，可实现广泛的新型应用。其中包括显示和照明，用于移动设备、电子书和大型可变化广告牌的滚动式、折叠式显示屏[12]以及当今比较热门的物联网RFID射频技术。喷墨打印机作为整个喷墨电子打印工艺中的一个执行设备，也是起着至关重要的作用，它是负责将导电介质通过压电喷头挤压喷射到基材上，打印机中的运动系统与喷头通过预先编制的程序进行相互配合，打印出各种电路图形。由于对墨水的材质和打印精度的要求不同，使其有异于传统的喷墨打印机。现阶段，还处于印制电子喷墨打印技术的起步阶段，国内外都开始尝试着开发研制高精度印制电子喷墨打印机，图1.1为美国DirnatixDMP[i4]系列打印机。作为一个完整且复杂的机电一体化系统，虽然整体设备体积不算庞大，但是却包含了许多其他子系统，除了上面所说的运动系统，还包括框架结构系统、机器视觉系统、驱动系统及软件控制系统等等，在此不作一一赘述。
第2章印制电子喷墨打印机系统构成及功能
2.1引言
本章主要通过介绍IJDAS300a型印制电子喷墨打印机总体系统构成，简要阐述其各个主要系统的结构及其功能，使读者能从整体上了解印制电子喷墨打印机的工作原理。IJDAS300型打印机采用的是笛卡尔型结构，图2.1为IJPDS300a型打印机模型图，主要的运动方向为沿X、Y、Z轴平动，具体运动方式分析如下：在X轴的横梁上安装着伺服电机及其运动模组，负责驱动喷头沿X方向300mm行程范围内的往复运动。Y轴方向上的运动模组支撑着真空吸附平台及打印基材，使其在Y方向300mm行程范围内往复运动。?喷头系统安装在Z轴的步进模组平台上，Z轴运动模组负责喷头的上下运动，其行程约为30mm，能够控制喷头喷孔与打印基材之间的相对位置，能够保证打印机能够打印0?30mm厚度的基材。通过以上的运动分析可知，印制电子喷墨打印机与传统的喷墨打印机工作原理基本一致，喷头与打印基材之间相对位置完全由三轴电机的运动所决定。打印机工作时，三轴电机接受运动控制卡发送的脉冲来按照人为指定的运动程序来进行打印，得到想要的图形。当然喷头也要同时在人为的驱动下准确、快速的喷射出形状良好的液滴，电机与喷头协同完成整个打印过程。但是从墨水性能和基材的材料的方面来讲，它与传统打印机还是有很大的区别的。墨水采用的是纳米银导电墨水，而非传统的碳素墨或者油性墨。基材的适用范围相对于传统的也更加广泛，而并非局限于塑料和纸张等。
第3章印制电子喷墨打印机结构静态力......... 21
3.1引言 ........21
3.2结构有限元法及ANSYS中的分析步骤........ 21
3.2.1结构分析有限单元法 ........21
3.2.2 ANSYS中结构分析步骤........ 22
3.3建立打印机有限元分析模型........ 23
3.4结果分析及讨论........ 32
3.5本章小结........38
第4章印制电子喷墨打印机结构动态........ 39
4.1引言........39
4.2模态分析的理论及方法........ 39
4.2.1模态分析理论........ 39
4.2.2模态提取方法........ 40
4.2.3 ANSYS模态分析步骤........ 40
4.3模态分析及其结果讨论........41
4.4打印机瞬态响应分析........ 45
4.5本章小结........ 50
第5章印制电子喷墨打印机的结构优化........ 51
5.1 引言........ 51
5.2打印机结构的改进设计........ 51
5.3结构改进后的力学分析........ 55
5.4本章小结........ 60
结论
本文以昆山海斯电子IJDAS300a型印制电子喷墨打印机的主体框架结构为研究对象，根据其结构特点、材料特性、边界条件以及工况，利用大型有限元分析软件ANSYS建立了打印机框架模型，主要分析了①在四种工况下，分别对承载X轴和Y轴运动平台的上部横梁和中间十字梁进行了静力学分析。②对整体框架进行模态分析，得出其固有频率和振型。③对承载X轴运动模组的上部横梁在不同载荷和不同移动速度的作用下对其进行瞬态响应分析。④根据静力学、模态和瞬态分析所得出的结果，找出框架结构的薄弱和过盈处，进行适当的改进和优化。经过以上一系列的力学分析工作，得出以下分析结果：
(1)通过对框架的上部横梁和中间十字梁的静力学分析，得出上部横梁在5KG载荷作用下，侧边和中部位移差约为7…在10KG载荷作用相差约为13^十字梁在5KG和10KG载荷作用下，侧边和中部位移相差分别约为和6…同时，在扭矩作用下的转角变化十分微小。故可知从框架静力学角度来看，其精度为15^以内，但是，由于喷头与基材之间非接触，打印时之间存在l~3mm打印间隙，15^的间隙变化对打印出的线路图形影响非常小。
(2)通过对框架进行模态分析，得出最低固有频率为122.31Hz，远低于电机额定工作频率50Hz (转速3000转/分钟)，所以在电机以额定转速造转时，不易对框架造成共振影响。第一阶及第二阶振型分别为上部横梁整体沿Y轴方向前后振动和沿Z轴方向上的上下振动，说明上部横梁与其支撑存在着刚度相比其他部位不足，且它们由于是前两阶振型，能量较大且直接影响喷头的打印精度。
(3)由于框架的二阶固有频率约为155Hz，而X运动平台在常速（0.25m/s)下约1.25s完成从导轨的最左端运动至最右端，频率约为0.8Hz，故在移动载荷作用下对上部横梁的产生的瞬态响应非常小。移动载荷和静态载荷作用下上部横梁最大位移值基本一致。
(4)通过综合分析原框架的静力学特性，对于受力较小和对打印机打印精度影响的结构部分采用删去或者用小截面铝型材代替，这样可以减轻框架的重量。同时根据分析原框架各阶主振型，分别对上部横梁、十字梁和后部支撑采取加强筋，这样提高了整体结构的刚度，改善了主振型。
参考文献
[1]孙高波.基于生活形态的消费类电子产品创新设计研究.浙江理工大学.2007
[2]龚永林.印制电子综述(1).印制电路信息.2009，7(11): 11-35
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[5]林金堵.我过PCB工业面临的“四大”挑战.印制电路信息.2012，6: 16-22
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[9]刘迅延.印刷电子技术全面推动印刷产业.印刷质量与标准化.2011, 2(3):21-26
[10]龚永林?印制电子综述(2).印制电路信息.2009，9(8): 12-17