2月26日，華中科技大學機械學院黃永安教授團隊在極端制造領域國際期刊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)定電場的粗糙自由曲面表面高分辨率機器人電流體噴印技術)”的研究成果。團隊創(chuàng)新性研發(fā)“手眼一體”噴頭，提出以電場穩(wěn)定為核心的“電場鄰域”軌跡補償算法，攻克了機器人制造系統(tǒng)軌跡誤差大、打印精度與一致性不足的行業(yè)瓶頸，實現(xiàn)了任意大面積曲面結構功能一體化電路的高精度共形打印，為航空航天、柔性電子等領域的高端制造提供了全新解決方案。論文第一作者為機械學院2022級博士生戈家影，葉冬副教授與黃永安教授為共同通訊作者。
 

　　大面積曲面結構功能一體化電路具備大幅面、高密度、高精度、異質(zhì)異構等核心特性，是航空航天、智能裝備等高端領域的關鍵核心部件。機器人原位共形打印憑借其大工作空間、高運動靈活性的優(yōu)勢，成為該類電路的主流制造趨勢，而結合高分辨率、多材料適配的電流體噴印技術，更是被視為理想的制造方案。然而，機器人制造系統(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——電場穩(wěn)定性，導致打印過程中場強波動顯著、軌跡振動明顯，嚴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優(yōu)勢，嚴重限制了大面積曲面電路高分辨率制造。
 

　　面對這一挑戰(zhàn)，團隊打破傳統(tǒng)軌跡補償思路，將調(diào)控核心從“軌跡共形”轉(zhuǎn)向“電場穩(wěn)定”，研發(fā)出集成相機與激光位移傳感器的“手眼一體”噴頭，實現(xiàn)了曲面切平面精準定位與法向位移實時測量的雙重功能，為3D高精度定位與軌跡補償提供硬件基礎。團隊創(chuàng)新性提出“電場鄰域”軌跡補償算法(如下圖)，通過原位測量打印高度并計算局部噴嘴 - 基底平均距離，在打印過程中維持電場強度穩(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的“鄰域效應”，有效濾除了表面粗糙度與機器人振動帶來的測量噪聲，構建了自穩(wěn)定電場機制，從根源上解決了場強波動與軌跡振動的問題。
 

　　相較于傳統(tǒng) “點對點” 補償技術，該研究提出的新方法展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢：
 

　　跨尺度適配性強：專為自由曲面粗糙表面設計，可實現(xiàn)跨尺度共形打印，適配曲率半徑小至1mm的復雜曲面，兼顧微小結構與大面積電路的制造需求；
 

　　電場與運動雙重穩(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強度波動從20%降至5%，還實現(xiàn)了機器人運動振動幅值的大幅降低，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偏差降至20µm，打印精度較傳統(tǒng)方法提升77.23%，同時實現(xiàn)了分辨率高達5µm的精細打印，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)出強大的結構集成與復雜制造能力。
 

　　該技術的通用性與實用性在多場景、多尺度的應用驗證中得到充分體現(xiàn)，成功實現(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 電路等復雜結構的高精度共形打印，噴印分辨率可達5µm，展現(xiàn)出對不同形貌、不同材質(zhì)基底的廣泛兼容性。
 

　　在航空航天核心應用場景中，團隊利用該技術在飛機機翼內(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)實際除冰試驗驗證，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)加熱測試，其加熱功率與溫度響應始終保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出優(yōu)異的工程應用可靠性。
 

　　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器人電流體共形打印技術體系，更提出了以 “電場穩(wěn)定” 為導向的補償新思路，實現(xiàn)了制造精度與一致性的雙重突破。該技術為大面積曲面結構功能一體化電路的高分辨率、低成本、規(guī)?；圃焯峁┝巳录夹g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域?qū)崿F(xiàn)工程化應用，推動高端制造領域的技術升級與產(chǎn)品創(chuàng)新。
 

　　該研究得到了國家自然科學基金、湖北省重點研發(fā)計劃等項目的資助。