华中科技大学机械学院黄永安团队在高分辨率机器人电流体喷印技术取得最新研究成果

　　2月26日，华中科技大学机械学院黄永安教授团队在极端制造领域国际期刊International Journal of Extreme Manufacturing发表题为“High-resolution robotic electrohydrodynamic printing on rough, freeform surfaces via a selfstabilized electric-field technique(基于自稳定电场的粗糙自由曲面表面高分辨率机器人电流体喷印技术)”的研究成果。团队创新性研发“手眼一体”喷头，提出以电场稳定为核心的“电场邻域”轨迹补偿算法，攻克了机器人制造系统轨迹误差大、打印精度与一致性不足的行业瓶颈，实现了任意大面积曲面结构功能一体化电路的高精度共形打印，为航空航天、柔性电子等领域的高端制造提供了全新解决方案。论文第一作者为机械学院2022级博士生戈家影，叶冬副教授与黄永安教授为共同通讯作者。
 

　　大面积曲面结构功能一体化电路具备大幅面、高密度、高精度、异质异构等核心特性，是航空航天、智能装备等高端领域的关键核心部件。机器人原位共形打印凭借其大工作空间、高运动灵活性的优势，成为该类电路的主流制造趋势，而结合高分辨率、多材料适配的电流体喷印技术，更是被视为理想的制造方案。然而，机器人制造系统存在轨迹误差来源多、误差范围大的固有问题，传统补偿方法仅追求轨迹与曲面的完全共形，却忽略了电流体喷印的核心影响因素——电场稳定性，导致打印过程中场强波动显著、轨迹振动明显，严重制约了打印精度与一致性，无法充分发挥电流体喷印的技术优势，严重限制了大面积曲面电路高分辨率制造。
 

　　面对这一挑战，团队打破传统轨迹补偿思路，将调控核心从“轨迹共形”转向“电场稳定”，研发出集成相机与激光位移传感器的“手眼一体”喷头，实现了曲面切平面精准定位与法向位移实时测量的双重功能，为3D高精度定位与轨迹补偿提供硬件基础。团队创新性提出“电场邻域”轨迹补偿算法(如下图)，通过原位测量打印高度并计算局部喷嘴 - 基底平均距离，在打印过程中维持电场强度稳定，而非追求单一的喷嘴-基底距离恒定。该算法巧妙利用电场的“邻域效应”，有效滤除了表面粗糙度与机器人振动带来的测量噪声，构建了自稳定电场机制，从根源上解决了场强波动与轨迹振动的问题。
 

　　相较于传统 “点对点” 补偿技术，该研究提出的新方法展现出显著的性能优势：
 

　　跨尺度适配性强：专为自由曲面粗糙表面设计，可实现跨尺度共形打印，适配曲率半径小至1mm的复杂曲面，兼顾微小结构与大面积电路的制造需求；
 

　　电场与运动双重稳定：通过局部距离平均法调整喷嘴 - 基底间距，不仅将粗糙表面的电场强度波动从20%降至5%，还实现了机器人运动振动幅值的大幅降低，为稳定喷印提供双重保障；
 

　　打印精度与分辨率优异：喷嘴 - 基底距离的平均绝对偏差降至20µm，打印精度较传统方法提升77.23%，同时实现了分辨率高达5µm的精细打印，线宽一致性提升69.6%、电阻一致性提升98.06%；
 

　　多层电路制造能力突出：成功在各类曲面上实现多层电路的高精度制备，兼容单曲率、双曲率等不同高斯曲率表面，展现出强大的结构集成与复杂制造能力。
 

　　该技术的通用性与实用性在多场景、多尺度的应用验证中得到充分体现，成功实现了从曲率半径1mm 的微小曲面到大幅面卫星壳体的跨尺度打印，可在单曲率、双曲率等不同高斯曲率的粗糙自由曲面上完成多层互联电路、频率选择表面、LED 电路等复杂结构的高精度共形打印，喷印分辨率可达5µm，展现出对不同形貌、不同材质基底的广泛兼容性。
 

　　在航空航天核心应用场景中，团队利用该技术在飞机机翼内外表面成功制造出高一致性分布式防除冰加热器，该加热器由 8 个分布式加热器组成，电阻最大偏差仅 7.48%，温度分布均匀性优异。经实际除冰试验验证，该加热器可快速融化冰层，除冰效率高、防冰性能稳定，且经过 9 次循环加热测试，其加热功率与温度响应始终保持稳定，展现出优异的工程应用可靠性。
 

　　该研究不仅研发了一套集硬件与算法于一体的高分辨率机器人电流体共形打印技术体系，更提出了以 “电场稳定” 为导向的补偿新思路，实现了制造精度与一致性的双重突破。该技术为大面积曲面结构功能一体化电路的高分辨率、低成本、规模化制造提供了全新技术路径，有望在航空航天防除冰、共形天线、柔性电子皮肤、智能装备传感器阵列等诸多前沿领域实现工程化应用，推动高端制造领域的技术升级与产品创新。
 

　　该研究得到了国家自然科学基金、湖北省重点研发计划等项目的资助。