一种微滴喷射成形线路边缘轮廓直线度预测方法与流程

1.本发明属于电子电路制造技术领域，具体涉及一种微滴喷射成形线路边缘轮廓直线度预测方法。


背景技术：

2.微滴喷射成形技术是近年来兴起的一种新型3d打印技术，其通过微滴喷射装置将液体以微滴的形式均匀的喷射到基材上，同时通过运动装置控制微滴喷射的轨迹，以实现微滴的精确沉积，多个微滴之间相互融合、堆积，形成三维模型。微滴喷射技术具有喷射材料范围广、材料可实时变化实现梯度堆积等优势，同时微滴尺寸可达微米量级，保证了成形精度和质量。
3.在进行线路成形时，由于微滴喷射技术是采用由点到线、由线到面的形式实现三维构建，因此微滴之间的融合难免会产生锯齿状融合缺陷，导致成形精度以及电信号传输能力的下降。线路边缘轮廓直线度是由打印过程中的单个微滴尺寸以及多微滴之间的融合情况共同决定的，因此需要对单微滴尺寸以及多微滴打印间距进行控制。
4.然而打印过程微滴的喷射不仅存在垂直方向的速度，还有运动装置引起的水平速度分量，导致单微滴的尺寸和多微滴之间的融合间距无法实时测量，并且通过实验的手段，无法实时的观测微滴的融合过程，不利于进行提高微滴融合质量的研究，所以采用数值模拟的方法预测线路边缘轮廓直线度的变化对于微滴喷射成形研究有着重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种微滴喷射成形线路边缘轮廓直线度预测方法。
6.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种微滴喷射成形线路边缘轮廓直线度预测方法，包括：
8.步骤1：建立计算微滴喷射的流体力学模型，进行网格的划分，定义喷射参数以及喷射材料物理属性；
9.步骤2：建立步骤1模型的控制方程，并依据控制方程模拟出微滴喷射成形过程；
10.步骤3：根据步骤2控制方程计算各个网格的体积分数变量，判断各微滴的形貌及位置，计算线路边缘轮廓直线度。
11.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
12.上述的步骤1中，喷射参数包括流体进给压力、喷嘴距基材高度、喷射频率、基材移动速度、压电膜片动作参数、撞针动作参数；
13.喷射材料物理属性包括密度和粘度、材料类型；
14.材料类型包括牛顿流体以及假塑性流体、膨胀性流体。
15.上述的步骤2所述控制方程包括能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程，并设置压力、温度和体积分数三个方面进行初始条件和边界条件。
16.上述的步骤3中，定义体积分数变量α；
17.若α＝1，则网格单元内部为液体域；
18.若α＝0，则网格单元内部为气体域；
19.若0＜α＜1，则网格单元内为气体与液体混合域。
20.上述的步骤3包括：
21.步骤3
‑
1：根据控制方程计算得到体积分数变量α，根据α值为0.5的条件追踪确定液相与气相的交界面；
22.步骤3
‑
2：遍历液相与气相交界面的所有网格，提取所有网格的x轴、y轴坐标值，即为线路边缘轮廓；步骤3
‑
3：以微滴中心为参考去除首微滴的前半边轮廓以及尾微滴的后半边轮廓，余下的两侧轮廓分别进行直线度计算，即为线路边缘轮廓的直线度。
23.上述的所述步骤1中，喷嘴直径为50～400μm，喷嘴处及沉积区域网格尺寸为10μm
×
10μm
×
10μm；
24.喷射参数设置流体进给压力2～5bar，喷嘴距基材高度1～4mm、喷射频率20～150hz、基材移动速度为1～15mm/s。
25.上述的步骤2中，边界条件包括喷嘴进口边界以及空气域出口边界的压力场、温度场以及相体积分数，其中，喷嘴进口边界的压力场根据流体进给压力进行设置，温度场根据喷嘴加热温度设置，液相体积分数为1；空气域出口边界的压力场设置为0bar，温度场根据环境温度设置，液相体积分数为0；
26.初始条件包括整个计算域的压力场、温度场以及相体积分数，首先对全区域进行初始化，压力场设置为0bar，温度场根据环境温度设置，液相体积分数为1，然后对喷嘴内部区域进行局部初始化，压力场根据流体进给压力进行设置，温度场根据喷嘴加热温度设置，液相体积分数为1。
27.本发明具有以下有益效果：
28.本发明基于微滴喷射成形沉积微滴的预测模拟模型，即步骤1的流体力学模型和步骤2的控制方程，进一步模拟线路轮廓；
29.本发明建立的基于微滴喷射成形沉积微滴的预测模拟模型，可用于预测线路成形边缘轮廓直线度，解决了微滴喷射成形过程中成形边缘质量难以控制的问题，对于微滴喷射成形的工程应用有很好的借鉴意义。
附图说明
30.图1为本发明微滴喷射成形线路边缘轮廓直线度预测方法流程图；
31.图2为本发明微滴喷射成形的计算流体力学模拟结果；
32.图3为本发明线路边缘轮廓直线度计算示意图。
具体实施方式
33.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
34.参见图1，本发明一种微滴喷射成形线路边缘轮廓直线度预测方法，包括：
35.步骤1：建立计算微滴喷射的流体力学模型，进行网格的划分，定义喷射参数以及喷射材料物理属性；
36.实施例中，喷嘴直径为50～400μm，喷嘴处及沉积区域网格尺寸为10μm
×
10μm
×
10μm；
37.喷射参数设置流体进给压力2～5bar，喷嘴距基材高度1～4mm、喷射频率20～150hz、基材移动速度为1～15mm/s。
38.例如，喷嘴直径为200μm，喷嘴处及沉积区域网格尺寸为10μm
×
10μm
×
10μm；
39.喷射参数设置流体进给压力4bar，喷嘴距基材高度2mm、喷射频率40hz、基材移动速度为15mm/s。
40.喷射材料为导电银浆，浆料密度为2300kg/m3，材料类型属于假塑性流体，粘度随剪切速率的增加而降低，粘度变化数据如下表1所示。
41.表1
[0042][0043][0044]
步骤2：建立控制方程，并依据方程模拟出微滴喷射成形过程。
[0045]
实施例中，任何一种物体的流动都必须遵守动量守恒、质量守恒以及能量守恒定律，所以控制方程的建立包括能量守恒方程、质量守恒方程和动量守恒方程的建立三个方面。
[0046]
动量守恒方程：
[0047][0048]
质量守恒方程：
[0049][0050]
能量守恒方程：
[0051][0052]
其中，ρ为材料的密度，为速度向量，t为时间，p为静压，μ为动力粘度，为动量源相，为表面张力，t为温度，c
p
为比热容，k为热导率，s
t
为能量源相，q
h
为表面热量，q
l
为热对流、热辐射和蒸发而损失的热量。
[0053]
初始条件和边界条件的设定包括压力场、温度场和体积分数三个方面。
[0054]
边界条件包括喷嘴进口边界以及空气域出口边界的压力场、温度场以及相体积分数；
[0055]
其中，喷嘴进口边界的压力场根据流体进给压力进行设置，温度场根据喷嘴加热温度设置，液相体积分数为1；空气域出口边界的压力场设置为0bar，温度场根据环境温度设置，液相体积分数为0。
[0056]
初始条件包括整个计算域的压力场、温度场以及相体积分数，首先对全区域进行初始化，压力场设置为0bar，温度场根据环境温度设置，液相体积分数为1，然后对喷嘴内部
区域进行局部初始化，压力场根据流体进给压力进行设置，温度场根据喷嘴加热温度设置，液相体积分数为1。
[0057]
例如，边界条件，喷嘴进口边界的压力场设置为4bar，温度场设置为45℃，液相体积分数为1；空气域出口边界的压力场设置为0bar，温度场设置为25℃，液相体积分数为0。
[0058]
初始条件包括整个计算域的压力场、温度场以及相体积分数，首先对全区域进行初始化，压力场设置为0bar，温度场为45℃，液相体积分数为1，然后对喷嘴内部区域进行局部初始化，压力场设置为4bar，温度场设置为45℃，液相体积分数为1。
[0059]
步骤3：根据步骤2控制方程计算各个网格的体积分数变量，判断各微滴的形状及位置，计算线路边缘轮廓直线度。
[0060]
实施例中，在微滴喷射成形的数值模拟过程中，微滴的沉积以及融合轮廓是由体积分数云图来体现的，而体积分数的数值是基于网格来给定的，本发明就是根据各个网格中的体积分数值来判断微滴轮廓所在的位置，利用vof(volume of fluid)方法跟踪自由界面的动态形貌。
[0061]
实施例中，首先定义体积分数变量α：
[0062]
若α＝1，则网格单元内部为液体域；若α＝0，则网格单元内部为气体域，若0＜α＜1，则网格单元内为气体与液体混合域；体积分数变量α根据控制方程计算得到；根据α值为0.5的条件追踪确定液相与气相的交界面。
[0063]
相方程：
[0064][0065]
其中，α为相体积分数，为速度向量，t为时间。
[0066]
实施例中，步骤3包括：
[0067]
步骤3
‑
1：如图2所示，多微滴融合的边缘轮廓，根据α值为0.5的条件追踪确定液相与气相的交界面，即找出α＝0.5的所有网格，作为液相与气相的交界面。
[0068]
步骤3
‑
2：提取所有网格的x轴、y轴坐标值，即为线路边缘轮廓，如图3所示；
[0069]
步骤3
‑
3：以微滴中心为参考去除首微滴的前半边轮廓以及尾微滴的后半边轮廓，余下的两侧轮廓分别进行直线度计算，取算术平均值即为线路边缘轮廓的直线度。
[0070]
经计算，本实施例中的线路边缘轮廓直线度为246μm。
[0071]
本发明解决了微滴喷射成形过程中打印线路边缘质量难以控制的问题，可为微滴喷射成形边缘轮廓直线度控制提供预测模型和参考依据。
[0072]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。