華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院黃永安團(tuán)隊(duì)在高分辨率機(jī)器人電流體噴印技術(shù)取得最新研究成果

　　2月26日，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院黃永安教授團(tuán)隊(duì)在極端制造領(lǐng)域國際期刊International Journal of Extreme Manufacturing發(fā)表題為“High-resolution robotic electrohydrodynamic printing on rough, freeform surfaces via a selfstabilized electric-field technique(基于自穩(wěn)定電場(chǎng)的粗糙自由曲面表面高分辨率機(jī)器人電流體噴印技術(shù))”的研究成果。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性研發(fā)“手眼一體”噴頭，提出以電場(chǎng)穩(wěn)定為核心的“電場(chǎng)鄰域”軌跡補(bǔ)償算法，攻克了機(jī)器人制造系統(tǒng)軌跡誤差大、打印精度與一致性不足的行業(yè)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了任意大面積曲面結(jié)構(gòu)功能一體化電路的高精度共形打印，為航空航天、柔性電子等領(lǐng)域的高端制造提供了全新解決方案。論文第一作者為機(jī)械學(xué)院2022級(jí)博士生戈家影，葉冬副教授與黃永安教授為共同通訊作者。
 

　　大面積曲面結(jié)構(gòu)功能一體化電路具備大幅面、高密度、高精度、異質(zhì)異構(gòu)等核心特性，是航空航天、智能裝備等高端領(lǐng)域的關(guān)鍵核心部件。機(jī)器人原位共形打印憑借其大工作空間、高運(yùn)動(dòng)靈活性的優(yōu)勢(shì)，成為該類電路的主流制造趨勢(shì)，而結(jié)合高分辨率、多材料適配的電流體噴印技術(shù)，更是被視為理想的制造方案。然而，機(jī)器人制造系統(tǒng)存在軌跡誤差來源多、誤差范圍大的固有問題，傳統(tǒng)補(bǔ)償方法僅追求軌跡與曲面的完全共形，卻忽略了電流體噴印的核心影響因素——電場(chǎng)穩(wěn)定性，導(dǎo)致打印過程中場(chǎng)強(qiáng)波動(dòng)顯著、軌跡振動(dòng)明顯，嚴(yán)重制約了打印精度與一致性，無法充分發(fā)揮電流體噴印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)重限制了大面積曲面電路高分辨率制造。
 

　　面對(duì)這一挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)打破傳統(tǒng)軌跡補(bǔ)償思路，將調(diào)控核心從“軌跡共形”轉(zhuǎn)向“電場(chǎng)穩(wěn)定”，研發(fā)出集成相機(jī)與激光位移傳感器的“手眼一體”噴頭，實(shí)現(xiàn)了曲面切平面精準(zhǔn)定位與法向位移實(shí)時(shí)測(cè)量的雙重功能，為3D高精度定位與軌跡補(bǔ)償提供硬件基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出“電場(chǎng)鄰域”軌跡補(bǔ)償算法(如下圖)，通過原位測(cè)量打印高度并計(jì)算局部噴嘴 - 基底平均距離，在打印過程中維持電場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定，而非追求單一的噴嘴-基底距離恒定。該算法巧妙利用電場(chǎng)的“鄰域效應(yīng)”，有效濾除了表面粗糙度與機(jī)器人振動(dòng)帶來的測(cè)量噪聲，構(gòu)建了自穩(wěn)定電場(chǎng)機(jī)制，從根源上解決了場(chǎng)強(qiáng)波動(dòng)與軌跡振動(dòng)的問題。
 

　　相較于傳統(tǒng) “點(diǎn)對(duì)點(diǎn)” 補(bǔ)償技術(shù)，該研究提出的新方法展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢(shì)：
 

　　跨尺度適配性強(qiáng)：專為自由曲面粗糙表面設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)跨尺度共形打印，適配曲率半徑小至1mm的復(fù)雜曲面，兼顧微小結(jié)構(gòu)與大面積電路的制造需求；
 

　　電場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)雙重穩(wěn)定：通過局部距離平均法調(diào)整噴嘴 - 基底間距，不僅將粗糙表面的電場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)從20%降至5%，還實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)振動(dòng)幅值的大幅降低，為穩(wěn)定噴印提供雙重保障；
 

　　打印精度與分辨率優(yōu)異：噴嘴 - 基底距離的平均絕對(duì)偏差降至20µm，打印精度較傳統(tǒng)方法提升77.23%，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分辨率高達(dá)5µm的精細(xì)打印，線寬一致性提升69.6%、電阻一致性提升98.06%；
 

　　多層電路制造能力突出：成功在各類曲面上實(shí)現(xiàn)多層電路的高精度制備，兼容單曲率、雙曲率等不同高斯曲率表面，展現(xiàn)出強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)集成與復(fù)雜制造能力。
 

　　該技術(shù)的通用性與實(shí)用性在多場(chǎng)景、多尺度的應(yīng)用驗(yàn)證中得到充分體現(xiàn)，成功實(shí)現(xiàn)了從曲率半徑1mm 的微小曲面到大幅面衛(wèi)星殼體的跨尺度打印，可在單曲率、雙曲率等不同高斯曲率的粗糙自由曲面上完成多層互聯(lián)電路、頻率選擇表面、LED 電路等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度共形打印，噴印分辨率可達(dá)5µm，展現(xiàn)出對(duì)不同形貌、不同材質(zhì)基底的廣泛兼容性。
 

　　在航空航天核心應(yīng)用場(chǎng)景中，團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)在飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)外表面成功制造出高一致性分布式防除冰加熱器，該加熱器由 8 個(gè)分布式加熱器組成，電阻最大偏差僅 7.48%，溫度分布均勻性優(yōu)異。經(jīng)實(shí)際除冰試驗(yàn)驗(yàn)證，該加熱器可快速融化冰層，除冰效率高、防冰性能穩(wěn)定，且經(jīng)過 9 次循環(huán)加熱測(cè)試，其加熱功率與溫度響應(yīng)始終保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應(yīng)用可靠性。
 

　　該研究不僅研發(fā)了一套集硬件與算法于一體的高分辨率機(jī)器人電流體共形打印技術(shù)體系，更提出了以 “電場(chǎng)穩(wěn)定” 為導(dǎo)向的補(bǔ)償新思路，實(shí)現(xiàn)了制造精度與一致性的雙重突破。該技術(shù)為大面積曲面結(jié)構(gòu)功能一體化電路的高分辨率、低成本、規(guī)模化制造提供了全新技術(shù)路徑，有望在航空航天防除冰、共形天線、柔性電子皮膚、智能裝備傳感器陣列等諸多前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程化應(yīng)用，推動(dòng)高端制造領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)與產(chǎn)品創(chuàng)新。
 

　　該研究得到了國家自然科學(xué)基金、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。