基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造.pdf
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1、第 30 卷第 3 期2023 年 6 月 工程设计学报 Chinese Journal of Engineering DesignVol.30 No.3Jun.2023基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造官俊1,丁医华1,葛青涛1,赵帅1,陆杨1,张婕1,2(1.江南大学 机械工程学院,江苏 无锡 214122;2.江苏省食品先进技术装备重点实验室,江苏 无锡 214122)摘 要:为了保护RFID(radio frequency identification,射频识别)天线,避免其接触外部环境而氧化、腐蚀,以及为了提高产品的防伪性、一体性与美观性,需要将RFID天线放置在产品结构表
2、面或产品内部。为了快速制造这类产品,搭建了一台集成熔融沉积成形(fused deposition modeling,FDM)和直写成形(direct ink writing,DIW)这2种3D打印技术的多材料3D打印机,其可打印面积为220 mm190 mm。通过ANSYS HFSS仿真软件分析了天线结构与基板结构对RFID天线辐射性能的影响;然后,选取4种RFID天线作为3D打印对象,使用导电银浆和聚乳酸(polylactic acid,PLA)分别作为天线和基板的打印材料,并对天线打印件回波损耗的实测曲线与仿真曲线进行比较。结果显示,4种RFID天线的谐振频率相对于其设计频率915 MHz
3、均向低频方向发生了约185 MHz的偏移。根据天线打印件回波损耗的测量结果,进一步优化天线模型,并打印了一款基板厚度为3 mm、天线臂长为55 mm的内嵌式RFID天线,其满足谐振频率为915 MHz且-10 dB下带宽大于150 MHz的设计要求。研究结果验证了利用多材料3D打印技术一体化打印RFID天线及产品本体的可行性,为RFID天线的快速制造提供了参考,该工艺具有广阔的应用前景。关键词:多材料;射频识别天线;熔融沉积成形;直写成形;快速制造中图分类号:TH 122;TH 128;TN 911 文献标志码:A 文章编号:1006-754X(2023)03-0288-09Rapid man
4、ufacturing of RFID antennas based on multi-material 3D printing technologyGUAN Jun1,DING Yihua1,GE Qingtao1,ZHAO Shuai1,LU Yang1,ZHANG Jie1,2(1.School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Food Technology and Equipment,Wuxi 2141
5、22,China)Abstract:In order to protect the RFID(radio frequency identification)antenna from oxidation and corrosion due to contact with the external environment,and to improve the anti-counterfeiting,integrity and aesthetics of the product,it is necessary to place the RFID antenna on the surface of t
6、he product structure or inside the product.In order to rapidly manufacture these products,a multi-material 3D printer integrating fused deposition modeling(FDM)and direct ink writing(DIW)3D printing technologies was built,with a printable area of 220 mm190 mm.The influence of antenna structure and s
7、ubstrate structure on the radiation performance of RFID antennas was analyzed by ANSYS HFSS simulation software.Then,four types of RFID antennas were selected as 3D printing objects,and conductive silver paste and polylactic acid(PLA)were used as printing materials for the antenna and substrate,resp
8、ectively.The measured and simulated curves of the return loss of the antenna print were compared.The results showed that the resonant frequencies of the four types of RFID antennas had doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.041收稿日期:20221129 修订日期:20230213本刊网址在线期刊:http:/ 俊(1999),男,安徽颍上人,硕士生,从事 3D 打印系统开发
9、以及 RFID 天线设计研究,E-mail:,https:/orcid.org/0000-0001-6018-0697通信联系人:张 婕(1962),女,湖北武汉人,教授,博士,从事微纳制造工程技术以及多维度功能性微纳材料系统研究,E-mail:,https:/orcid.org/0000-0002-4600-2293第 3 期官俊,等:基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造shifted approximately 185 MHz in the low-frequency direction relative to their design frequency of 915 MHz.B
10、ased on the measurement results of the return loss of antenna prints,the antenna model was further optimized and an embedded RFID antenna with a substrate thickness of 3 mm and an antenna arm length of 55 mm was printed,which met the design requirements of resonant frequency of 915 MHz and bandwidth
11、 greater than 150 MHz at 10 dB.The research results verify the feasibility of integrated printing of RFID antennas and product bodies by using multi-material 3D printing technology and provide a reference for the rapid manufacturing of RFID antennas.This process has broad application prospects.Key w
12、ords:multi-material;radio frequency identification antenna;fused deposition modeling;direct ink writing;rapid manufacturing目前,越来越多有关3D打印技术的研究着眼于功能性产品的快速制造1-3。与传统打印技术相比,3D打印在定制化加工、复杂产品的快速成型以及绿色制造等方面具有独特优势,其在生物医疗4、无线通信5-6和工程建筑7等应用领域迅速拓展。多材料3D打印作为3D打印技术的拓展,其原理是在同一项打印作业中同时打印多种材料,可用于直接制造含嵌入式组件的产品或用于增强打印件
13、的机械性能。这项技术使3D打印产品摆脱了材料功能性单一的限制,丰富了3D打印产品的应用场景8-9。在微波通信领域,RFID(radio frequency identification,射频识别)天线正面临着在保证辐射效率的同时进一步实现小型化的技术障碍,如何尽可能地减小天线体积是目前RFID天线设计中备受关注的问题10。不仅如此,因受工作环境的影响,许多RFID天线须埋藏在特定的介质中进行持续工作,例如水下通信天线以及用于土壤埋藏物体定位的天线11-12。目前,RFID天线常采用刻蚀或电镀的方式附着到对应的基板上,这种工艺仅适用于平面天线成型且相对复杂,同时还会排放废液,污染环境。近年来,3
14、D打印技术在实现RFID天线小型化、增大 RFID 天线读取距离以及降低 RFID天线定制化成本等方面已被证实有巨大的发展潜力。熔 融 沉 积 成 形(fused deposition modeling,FDM)是通过送丝装置将热塑性丝状聚合物材料送到喷嘴处加热至熔融状态后挤出,挤出材料能够在底板上快速冷却固化,并随着底板在垂直方向上的进给运动逐层累积成形13-14。在FDM打印工艺中,所采用的聚乳酸(polylactic acid,PLA)等热塑性塑料往往具有较低的损耗角正切值,因此在一些有关RFID天线3D打印的研究中常被用作天线基板的材料15-16。不同于 FDM 打印技术,直写成形(d
15、irect ink writing,DIW)是一种在室温下以非牛顿黏性浆料为打印材料的挤压式成形工艺。由于DIW工艺特殊的成形方式,适用于DIW打印的材料种类繁多,例如陶瓷、金属合金、聚合物等具有适当流变性的浆料均可作为DIW打印材料17-18。RFID天线及其基板的材料属性不同,为了实现RFID天线的快速制造,笔者提出了一种基于多材料3D打印技术的一体化打印工艺,其中天线和基板的打印材料分别选择导电银浆和 PLA。根据RFID 天线的打印工艺,搭建集成 FDM 以及 DIW这2种3D打印技术的多材料3D打印机,该设备可同时打印 PLA 丝材和导电银浆。使用 ANSYS HFSS仿真软件分别分
16、析基板厚度、天线臂长以及天线与基板的放置关系对RFID天线辐射性能的影响。选择4种RFID天线作为打印对象,利用矢量网络分析仪测量这4种RFID天线的回波损耗曲线,并将实测曲线与仿真曲线进行对比。结合分析结果,调整RFID天线结构,以使其能够适用于超高频应用场合。1 多材料3D打印机的搭建 根据提出的RFID天线一体化打印的工艺目标,给出了图 1所示的打印方案:使用 PLA丝材打印RFID天线的基板,同时使用导电银浆以DIW打印方式在固化完毕的PLA基板上打印天线。在同一台打印机上集成FDM和DIW是实现上述工艺的必要前提。FDM与DIW这2种打印工艺在本质上都是采用材料挤出方式,因此2个打印
17、喷头的结构设计以及如何通过打印机固件或切片软件合理分配2个打印喷头的材料挤出量是搭建多材料3D打印机的研究重点。1.1打印机运动平台设计目前,基于材料挤出成形工艺的打印机结构主要分为并联机械手结构的Delta坐标系机型和笛 289工程设计学报第 30 卷 卡尔坐标系机型两类19。为了降低设备维护的复杂程度,实现打印喷头的方便拆卸和调整,选择基于笛卡尔坐标系的龙门式结构,即经典的Prusa I3结构。该结构机型占地面积小,结构简单,对零部件装配的要求不高,且X轴和Y轴之间的运动相互分离,这不仅有利于在龙门上布置2个打印喷头的相关移动部件,而且可使打印喷头间的运动相互独立,不易产生干涉。考虑到打印
18、机框架的可拓展性,选取2020铝型材和2040铝型材搭建打印机的基本框架。多材料 3D 打印机的框架结构如图2所示。在多材料3D打印机各轴的运动设计中,X、Y、Z轴均采用滚珠式微型直线导轨作为导向机构。其中,X、Y轴采用带轮与同步带啮合的方式传递电机动力。对于Z轴的运动,在每一层结构打印完成后,X轴所在横梁须要沿Z轴方向上升1个层高的距离,因此Z轴要承载X轴横梁、打印喷头、导轨、电机和Z轴滑车等部件的重量。为了保证Z轴在每执行完1次进给运动后保持稳定,避免因打印喷头沿Z轴方向运动时发生抖动而导致材料挤出不畅,选择具有自锁能力的梯形丝杆副作为Z轴的传动部件。本 文 多 材 料 3D 打 印 机
19、的 加 热 平 台 的 尺 寸 为220 mm220 mm,但由于2个打印喷头占用了部分X 轴空间,加热平台的实际可用面积为 220 mm190 mm。1.2FDM打印喷头设计FDM打印喷头采用近程挤出设计,其中挤出机选择由Anlin和Annex团队开发的Sherpa_Mini型近程挤出机。该款挤出机是一种双齿轮长丝挤出机,装有36步进电机并采用51的齿轮减速设计,它在实现小尺寸以及轻量化的同时可产生较大的挤出扭矩。FDM 打印喷头加热端选择 E3D 公司制造的E3DV6加热头。该加热头包含环状散热片、喉管、加热铝块、喷嘴、加热棒和NTC(negative temperature coeffi
20、cient,负温度系数)热敏电阻。FDM打印喷头利用1个3010风扇对环状散热片进行散热,利用2个3010涡轮鼓风机对打印件进行散热,其喷嘴的出料口直径为0.4 mm。Sherpa_Mini型近程挤出机和E3DV6加热头采用螺栓固定在同一块铝板上,组成FDM打印喷头,如图3所示。如此组合设计减小了FDM打印喷头在X轴上的占用空间并实现了轻量化,保证了X轴方向具有足够的可打印尺寸,能够良好地满足市面上常见的1.75 mm直径热塑性耗材的挤出需求。1.3DIW打印喷头设计DIW打印工艺的材料挤出方式主要分为气压挤出、活塞挤出以及螺杆挤出三种。考虑到快干型导电银浆暴露在空气中会迅速固化且打印喷头内壁
21、上的导电银浆不易清洗,选择一次性玻璃注射器作为存放导电银浆的料筒。基于导电银浆的存放需求,以微型直线导轨滑台为基础设计图4所示的DIW打印喷头。DIW打印喷头中玻璃注射器的料筒通过2组杯口螺栓固定在滑台外侧的固定架上,无需外部工具即可实现玻璃注射器的快速更换。玻璃注射器尾端柱塞部分与安装在滑台上的打印件接触,通过改变滑台的位移速度和位移量,可实现对玻璃注射器内导电银浆的挤出速度和挤出量的控制。安装在滑台上的推杆挡块、玻璃注射器固定架均通过3D打印方式制作而成。为了保证DIW打印喷头的运动稳定性及结构刚度,上述2图1RFID天线一体化打印方案Fig.1RFID antenna integrate
22、d printing scheme图2多材料3D打印机框架结构Fig.2Multi-material 3D printer frame structure图3FDM打印喷头Fig.3FDM printing nozzle 290第 3 期官俊,等:基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造个结构件均采用碳纤维增强PLA复合材料进行打印,并在 Cura 切片软件中将模型设置为完全填充。1.4打印机固件选择和配置由于多材料 3D 打印机中的 FDM 打印喷头和DIW打印喷头均由步进电机来控制材料的挤出,市面上常见的3D打印机控制板均可满足使用需求。考虑到多材料 3D 打印机所需的接口数量,选择M
23、akerbase公司生产的MKS Monster8控制板作为打印机的主板,如图5所示。该控制板最多可插入8个TMC2208集成式步进电机驱动器,还配备了3个加热棒接口、1个热床接口、6个散热风扇接口、4个温度传感器接口以及6个限位开关接口,其丰富的接口数量可使多材料3D打印机在满足现有控制需求的同时具备良好的可拓展性。常见的打印机开源控制固件有Marlin、Klipper等。这些固件均能通过修改 Configuration 文件中的引脚配置适配不同类型的控制板。考虑到要对固件进行多次更改与调试,选择Klipper固件,以便对多材料 3D 打印机进行在线监控。多材料 3D打印机的主板连接 Ora
24、nge Pi Zero上位机开发板,以同步实现在网页端对打印过程的监控以及对打印机固件参数的调试,从而避免了在调试过程中因更新主板固件而频繁烧录主板微控制器的环节。目前,Klipper固件主要用于FDM打印机的开发。本文所搭建的多材料3D打印机与双喷头FDM打印机的区别主要在于打印喷头,具体表现为其中一个打印喷头更换为以微型直线导轨滑台为基础的柱塞式DIW打印喷头。DIW打印喷头与FDM打印喷头之间存在较大差异,主要体现在以下2个方面:1)用于DIW打印的打印材料无需加热;2)虽然2个打印喷头均采用控制步进电机脉冲数的方式来调节打印材料的挤出量,但由于2个打印喷头对应的打印材料挤出原理不同,不
25、能采用相同的固件配置。针对2个打印喷头在硬件方面的区别,本文采用修改Klipper固件中打印喷头参数的方式来控制打印材料的挤出速度和挤出量。在固件设置中,FDM打印喷头和DIW打印喷头的主要参数如表1所示。根据表1所示参数,2个打印喷头所使用的步进电机均采用 1/16 细分驱动模式,即电机旋转 1 周需要3 200(20016)个脉冲。打印喷头固件设置中的转动距离(rotation distance)在传统意义上表示FDM打印喷头送丝轮转动1周所对应的丝材前进距离。FDM打印喷头所使用的送丝轮直径D1=7.5 mm,计算得到送丝轮转动1圈时PLA丝材的前进距离R1:R1=D1 =7.5 mm
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