摘 要

随着电子技术的发展，柔性电子已成为电子研究领域的重点，但目前还未有相应针对的工业化生产技术。其中，喷印技术以其生产效率高、成本低、加工面积大等优势，在众多柔性电子生产工艺中占有重要地位，但相关生产设备现在还只处于研究阶段。因此，本论文提出了一套基于电流体动力喷印工艺的柔性电子大面积喷印制备平台整体方案，并针对其驱动装置的关键元器件选型、机械结构设计及优化等问题开展深入研究。

论文主要以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，使用有限元分析软件Ansys Workbench完成装置结构相关有限元分析及拓扑优化，最后利用Adams软件实现对其机械结构的运动仿真。

通过这次研究，为柔性电子大面积喷印制备装备的设计打下了重要基础，为其驱动装置的结构方案设计、静力学分析、模态试验以及运动学分析提供了宝贵经验，为更合理地设计和优化驱动装置的的动态性能提供了参照。

关键词：柔性电子；电流体动力喷印；驱动装置；有限元分析；运动仿真

Abstract

Flexible electronics offer an attractive alternative to conventional IC in the future. The inkjet printing is a key fabrication by enabling the creation of large, flexible devices at low cost and high efficiency. However, for inkjet to make the transition from Ramp;D to mass production, a number of equipment challenges must be overcome. In this dissertation, a new equipment design scheme of the Flexible electronic inkjet printing with a wide process window is developed and some theoretical. Pratical achievements are obtained in the issues of the mechanical structure design and optimization of the driving device.

This article uses the three-dimensional modeling software Solidworks to develope a new equipment and its driving device design scheme of the Flexible electronic inkjet printing with a wide process window. To realize the series design for gantry framework and to make the static analysis，modal test and harmonic response analysis of virtual prototype through the finite element analysis software.

The research has gained some feasible findings, and provided valid references for a new equipment design scheme of the Flexible electronic inkjet printing with a wide process window and its structural design, assembly, modal test, static analysis, harmonic response analysis and kinematic analysis of its driving device, also for mastering and optimizing dynamic performance of gantry framework and vibration absorption designing for gantry framework, and for the series, parameterization, optimal design and modular design of gantry frame. Besides, to improve the machining accuracy of flexible electronic inkjet equipment provides an important way.

Key Words：Flexible electronics；Electrohydrodynamic；driving device；

finite element analysis; Dynamic Simulation.目 录

第一章 绪论 7

1.1 课题研究背景 7

1.2 国内外研究现状 9

1.2.1 喷墨打印工艺 9

1.2.2 驱动装置机械结构优化设计 10

1.3 本课题主要工作任务及目标 11

第二章 喷印平台整体及其驱动装置方案设计 13

2.1大面积柔性电子喷印平台功能需求分析 13

2.2喷印平台总体方案设计 14

2.2.1喷印平台方案设计 14

2.2.2喷印平台总体结构方案设计 15

2.3喷印平台驱动装置机械结构方案设计 19

2.4本章小结 22

第三章 驱动装置关键部件选型 23

3.1直线电机的选型 23

3.1.1直线电机的概述 23

3.1.2直线电机的类型选择 23

3.1.3主要直线电机厂商及产品介绍 24

3.1.4直线电机计算 26

3.2导轨的选型 28

3.2.1直线导轨的概述 28

3.2.2气浮导轨的类型选择 28

3.2.3气浮导轨的计算 29

3.3光栅尺简介与选型 30

3.3.1光栅尺的概述 30

3.3.2光栅尺的比较及选型 31

3.4本章小结 32

第四章 龙门框架的有限元分析及拓扑优化 33

4.1龙门框架的有限元模型 33

4.1.1龙门框架模型的简化 33

4.1.2模型网格划分 34

4.2龙门框架的强度和刚度分析 36

4.3龙门框架的模态分析 39

4.4龙门框架的拓扑优化 42

4.4.1拓扑优化过程 42

4.4.2拓扑优化结果分析 43

4.5本章小结 47

第五章 龙门框架的运动仿真 48

5.1机械运动仿真技术概述 48

5.2喷印平台的刚体运动分析 49

5.3喷印平台的刚-柔混合体运动分析 52

5.4本章小结 54

第六章 总结及展望 55

6.1总结 55

6.2研究展望 55

参考文献 57

致 谢 59

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

柔性电子（Flexible Electronics）是将有机或无机电子元件沉积在柔性基板上形成具有功能的柔性电子器件的技术。相对于传统电子器件，柔性电子器件具有可移植、可弯折、轻薄、携带方便等特点，被公认为是下一代电子器件发展的重要方向，其典型应用^［1］如图1.1所示。主要包括有机发光二极管，薄膜太阳能电池，RFID标签和大面积柔性传感器等。

图1.1 柔性电子典型应用

制造柔性电子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。目前，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，但费用高、能耗大、周期长、对环境有特殊要求，并且无法直接在柔性基板上进行大面积制造。随着技术的发展，制作柔性电子器件的材料也正在不断发展与创新，新兴的有机聚合物材料和纳米复合材料已应用到了柔性电子器件制作中，如有机导电材料PEDOT：PSS^［2］、半导体材料P3HT、石墨烯及其复合物^［3］等。但这些材料无法适应高温环境，与传统IC制造工艺无法良好兼容。因此亟待寻找适合柔性电子器件的新型制造方法。

从材料的特性可知，有机聚合物和纳米复合材料的重要特性是易于溶液化。印刷技术是以溶液化加工为基础的，其特点是简单易控、节省材料，并跟环境友好，可快速、大量复制图案，与其它工艺相比较，是较为理想的柔性电子器件制造方法。典型的印刷技术包括丝网印刷、微接触印刷和喷墨打印等，这些方法与光刻技术特性的比较如表1.1所示。