面向柔性电子大面积喷印制备的同步驱动装置设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

柔性电子学（Flexible Electronics）是将有机/无机电子元件沉积在柔性基板上形成具有功能器件的技术，相对传统电子具有可移植、可弯折、轻薄、携带方便等特点，被公认为下一代电子通用平台，典型应用包括有机发光二极管，柔性显示器，薄膜太阳能电池，RFID标签和大面积柔性传感器等。

组成柔性电子器件的典型元件包括薄膜晶体管（TFT）、有机发光二极管（OLED）和各类传感器等。制造器件的过程可分为材料制备、沉积、图案化和封装四个主要步骤。釆用传统的半导体集成电路（IC）工艺和硅基材料可以实现部分柔性器件的制造，但无法直接在柔性基板上进行大面积制造，并且费用高、能耗大、周期长、对环境有特殊要求。另一方面为了满足柔性和可弯折性，柔性电子材料呈现多样性，主要为新兴的有机聚合物材料和纳米复合材料，如有机导电材料PEDOT：PSS^［5］、半导体材料P3HT、石墨烯及其复合物^［6］等。这些材料无法适应高温环境，与传统IC制造工艺无法兼容。因此亟待找到适合柔性电子器件特点的制造方法。

表1主要柔性电子制造方法比较

有机聚合物和纳米复合材料的重要特点是易于溶液化。印刷技术是以溶液加工为基础，简单易控、节省材料并跟环境友好，可快速、大量复制图案，相比其它工艺是最理想的制造方法。典型的印刷技术包括丝网印刷、微接触印刷和喷墨打印，这些方法与光刻技术的具体比较见表格1。从表中可以看出喷墨打印是一种无接触、无压力、无印版的直接制造技术，在室温下将溶液直写实现数字化柔性印刷，可有效地降低成本，相比其它印刷方式具有明显优势^［6］。釆用传统的喷印技术，各国研究人员已成功地制备了有机和无机的薄膜晶体管^［7，8］、聚合物发光二极管^［9］和各类传感器^［10］等。喷墨打印工艺制造柔性电子器件已成为主要的研宄方向，但目前仍停留在实验室阶段。

在国外，对于喷墨打印技术中带电射流的稳态和弯曲动态的理论研究，Mestel等^［11,12］建立了纵向电场作用下的高粘性和低粘性带电射流的稳定模型。Shin等^［13］在稳定直线段的射流模型中，加入电场和射流半径的扰动项，建立了射流直线段和弯曲鞭动的工艺参数图。Yarin等^［14］将带电射流电荷造成的非对称不稳定性类比于空气动力学中的不稳定性理论，建立了另一种一维稳定理论模型。在仿真中，通过增加液体粘性来增加射流的弯曲模量，以此引入溶液蒸发带来的影响。采用这些模型，研究人员研究了工艺参数对空间中射流飞行行为的影响和平行板电极调控带电射流的机理等，可以看出目前这些模型主要是针对传统电纺丝中带电射流的飞行行为。而在这些理论研究的基础上，喷墨打印技术已逐渐应用在压电传感器、有机薄膜晶体管、太阳能电池等柔性电子器件的制造领域。例如有机薄膜晶体管制造中，Lee等^［15］先釆用平行板电极法收集有序纤维，然后转印纤维阵列，作为有机晶体管（OTFT）的半导体层，成功提高了有机晶体管的迀移率。Chen等^［16］在此基础上采用同轴喷嘴，制备了保护层为内层为的同轴纤维，进一步提高了器件性能。

目前，国内进行喷墨打印技术研究的科研院所相对较少。华中科技大学尹周平等^［1］提出力控电纺丝直写新工艺，围绕讨论了电流体动力喷印设备实现关键技术, 包括液滴操控、喷嘴设计、卷到卷输送等，开展了系统深入研宄。并以力控电纺丝直写工艺为核心，电喷雾制膜和按需电流动力喷印为辅的多功能打印技术，应用到自主研制的集成卷到卷、微环境控制的多功能电流体喷印设备中。江南大学谭姣姣等^［17］对基于电流体力学的微喷印技术中脉冲电压频率与射流液滴间隔、液滴喷射频率、液滴直径的关系进行研究，并将理论结果与实验结果进行比较分析，得出在一定条件下，合理控制脉冲频率可以获得具有相同液滴间距和所需尺寸的液滴。河北师范大学杨丽媛等^［18］利用气溶胶喷印设备制备了有机薄膜晶体管的电极层、半导体层、绝缘层，并对其进行了表征。并基于前面的研究结果，用气溶胶喷印技术制备了全印刷的有机薄膜晶体管，测试分析了其性能。

归纳上述，目前科研院所对喷墨打印技术的研究热点主要集中在材料、射流不稳定性、喷嘴设计等理论研究方面，主要应用在小面积柔性电子制造与试验上，其打印范围一般局限于100mm×100mm内，距离商业应用的面积在1000mm×1000mm以上的大面积基板喷印制备还有很大差距。而随着大面积OLED显示器（如LG在CES2014展会正式发布的首款77英寸UHD曲面OLED电视），聚合物太阳能电池板等产品的出现，柔性电子大面积制备技术及设备的研制已得到越来越多的国内外学者与科研院所的重视。

喷墨打印技术属于新一代的柔性电子制造工艺，目前还没有完全商业化的打印系统。对于器件，结构的精确制造和材料属性决定了其性能。喷印制造过程中，液滴或射流的尺寸及定位精度是保证结构均匀可靠的关键因素，其中定位误差主要来自两个方面：液滴或射流在飞行中的偏离程度和运动平台的定位精度。驱动装置的机械结构正是影响运动平台的定位精度的重要因素之一。

因此，为了实现对大面积柔性电子制造装备的驱动装置机械结构的合理设计，设计过程中必然需要借助优化设计方法，来保证结构符合相应工艺的技术要求。而随着CAD、CAE技术的发展，优化设计方法被越来越多的应用于现代制造装备机械结构的设计中来。以机床为例，通过一系列的研究发现，使用优化设计方法进行机床设计，在不降低机床性能的同时，可为机床节省材料达 7%~40%^[19]。这些都大大的节约了企业的生产成本，因此越来越多的企业技术人员开始关注制造装备机械结构的优化设计技术。

在国外，有许多学者通过结合有限元分析的方法对制造装备的各结构部件进行优化，并对使用过程中可能产生的振动进行了研究^[20]。美国爱荷华大学J.M.Vance等使用优化设计技术对机床进行结构优化设计^[21]；美国天主教大学G.Bianchi等学者通过将机床的动态优化与控制结合，对机床结构进行优化设计^[22]；密歇根州大学的T.Jiang等人结合有限元法和动态分析理论，利用数学方法模拟机床各种结构的联结行式，通过三维软件绘制机床整机模型，并使用有限元分析软件对机床固定接合面的连接件（点焊、螺栓）间位置和数量进行拓扑优化设计^[23,24]；Lee 等通过灵敏度分析的方法，基于设计目标函数的连续性，设立目标函数的稳健模型和约束函数文件模型，同时将稳健模型设计归纳为在满足固定边界条件下的多目标优化问题^[25]。

国内学者对制造装备的优化设计，大多数是分别以其各部件的静、动态性能作为优化目标对其进行优化设计，优化设计的种类主要包括静力学分析、动力学分析、拓扑优化、尺寸优化等^[26]。罗辉等使用灵敏度分析的方法对制造装备的龙门框架立柱的主要尺寸进行优化设计，大大的提高立柱的静、动态性能^[27]；汤文成等对横梁的静刚度、低阶固有频率进行有限元分析，通过对横梁的筋板布置形式重新设计来提高结构的静、动态性能，并在对机床结构进行参数化设计^[28]；李扬等通过实验对机床导轨与横梁的结合面进行参数识别，使用有限元软件模拟机床运行状态更加准确^[29]；王晓煜等通过对横梁进行优化设计，在三维软件中绘制横梁三维模型，并利用有限元软件对重新设计的横梁进行动、静态分析。优化设计后的横梁重量减少了6％，形变量减少了50％，一阶固有频率比原型横梁提高了 51％^[30]；朱金波等在对动横梁进行动静态性能分析的基础上，利用有限元软件中的拓扑优化模块识别出横梁结构中可去除部分，在不影响横梁刚度的基础上，将其转移到动横梁刚度不足的薄弱位置，设计出在不改变动横梁装配尺寸的前提下具有较为均衡动静刚度特性的动横梁结构方案^[31]；韩立光等针对龙门钻床横梁部件，分别对铸件横梁和焊接横梁进行有限元分析对比，得出焊接横梁综合性能优于铸件龙门横梁^[32]；罗传林等在研究不同板筋结构形式的横梁时，通过有限元分析方法，对不同截面形状的横梁在特定方向的刚度大小进行对比，为合理选用导轨布置形式及横梁截面做出参考^[33]。陈庆堂采用 ANSYS 对数控铣床立柱的变形进行了分析，使得立柱结构在刚度大致相同的情况下，重量减少了12.87%^[34]。孟宪君等通过有限元软件对横梁弯曲的变形进行分析，计算出横梁导轨面的变形曲线，为横梁导轨面的加工提供了依据^[35]。郭志全等运用动态设计原理和有限元法的便量化分析技术，用ANSYS软件对加工中心立柱部件进行静力分析和模态分析，得到了内部筋板的最佳结构形式^[36]。刘刚等利用有限元分析软件Workbench对龙门立柱进行有限元分析，比较分析计算，研究其静刚度、低阶固有频率等特性，选取出了最优立柱凹口截面参数^[37]。

通过对比国内外的研究现状可以看出，目前对制造装备机械结构进行设计优化的方法主要有：形状优化方法、拓扑优化方法、动态优化方法、灵敏度分析与优化等^[38]，以上优化方法对制造装备的动态优化设计都有十分重要的帮助。其中形状优化和尺寸的灵敏度优化方法相对而言已经比较成熟，但仍然主要依靠设计师对设计经验的把握，通过有限元软件中的拓扑优化功能虽然能够最大程度上的对产品结构布局和形状进行优化设计，并在满足一定的性能条件下实现对产品的轻量化，但最后经过优化改进后的结构往往并不不规则，增加了产品加工生产的难度；动态优化方法虽然全面考虑到了产品各种条件，对产品的优化设计准度较高，但由于其计算量庞大也有着一定的缺陷；灵敏度分析是筛选出关键参数进行优化，节约了设计时间，缩短设计周期。将几种方法相结合后，则可以对产品从设计到优化的全部过程提供很大的帮助。

综上所述，本课题主要针对柔性电子的大面积喷印制备系统中的喷印模块的驱动装置进行设计，并结合优化设计方法对其机械结构进行优化，以实现驱动装置较高的硬件定位精度及其他相关技术要求。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

以solidworks为开发平台，研究面向柔性电子大面积喷印制备的同步驱动装置设计，并通过ansys、adams等cae软件完成装置相关有限元分析及其动力学分析，最后实现对其机械结构的拓扑优化。具体设计内容如下：

（1）（1）整体方案设计

结合柔性电子大面积喷印制备相关技术要求及特性，完成制备系统驱动装置及搭载平台的整体设计，并利用solidworks软件完成三维模型构建。

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

［1］尹周平，黄永安，布宁斌等. 柔性电子喷印制造: 材料、工艺和设备. 科学通报,2010,25:2487-2509

［2］reuss r h, chalamala b r, moussessian a, et al. macroelectronics: perspectives on technology and applications. p ieee, 2005, 93: 1239—1256

［3］kim d h, ahn j h, choi w m, et al. stretchable and foldable silicon integrated circuits. science, 2008, 320: 507—511