行業(yè)動(dòng)態(tài)
行業(yè)動(dòng)態(tài)
卷對(duì)卷制造關(guān)鍵技術(shù)：從建模到控制
先進(jìn)R2R涂布制造技術(shù)是柔性電子產(chǎn)品等先進(jìn)材料制造的核心，而系統(tǒng)建模與控制則是確保其實(shí)現(xiàn)高精度、高效率和高質(zhì)量生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)保障。中國(guó)涂布技術(shù)研究翻譯《A Review of Advanced Roll-to- Roll Manufacturing: System Modeling and Control》（譯名：先進(jìn)卷對(duì)卷制造綜述：系統(tǒng)建模與控制）。文章綜述了先進(jìn)R2R制造技術(shù)的現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)建模與控制，并展望了未來(lái)的研究方向。
摘要
卷對(duì)卷（R2R）生產(chǎn)作為一種連續(xù)加工柔性卷材的高效工業(yè)方法，成為柔性電子產(chǎn)品、可再生能源設(shè)備和二維材料等產(chǎn)品最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)方法之一。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用需求的提高，對(duì)R2R制造提出了更高的精度和在線質(zhì)量控制等要求。
引言
R2R制造通過(guò)在滾筒連續(xù)傳送的柔性基材上進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)了更高的產(chǎn)量和更低的生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)R2R制造主要應(yīng)用于紙張、紡織品和帶狀金屬等領(lǐng)域，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，R2R制造已經(jīng)拓展到柔性電子產(chǎn)品（FE）、可再生能源設(shè)備和二維材料等先進(jìn)產(chǎn)品的生產(chǎn)，并成為其最具經(jīng)濟(jì)性的生產(chǎn)方式之一。
柔性電子產(chǎn)品，如傳感器、晶體管和顯示器，因其可彎曲性而備受矚目。目前，大多數(shù)柔性電子產(chǎn)品依賴于離散式絲網(wǎng)印刷和壓印技術(shù)來(lái)打印和轉(zhuǎn)移組件。為了提高產(chǎn)量和降低成本，迫切需要開發(fā)適用于工業(yè)規(guī)模打印和轉(zhuǎn)移柔性電子產(chǎn)品的全R2R工藝。在可再生能源領(lǐng)域，R2R工藝也被廣泛應(yīng)用于柔性太陽(yáng)能電池、質(zhì)子交換膜燃料電池和鋰離子電池的制造。此外，R2R制造還促進(jìn)了二維材料如石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)，通過(guò)環(huán)境友好型、連續(xù)式的機(jī)械剝離工藝，實(shí)現(xiàn)了CVD石墨烯的連續(xù)轉(zhuǎn)移。
R2R系統(tǒng)建模
R2R系統(tǒng)以柔性基材（卷材）為核心，從放卷裝置開始，依次經(jīng)過(guò)狹縫式涂布器、絲網(wǎng)印刷機(jī)、加熱干燥裝置，最終通過(guò)干法轉(zhuǎn)移將印刷圖案轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基材，如圖1所示。此過(guò)程中，牽引輥、S形傳送輥和浮動(dòng)輥等累加器組件精確控制卷材的張力和速度，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和連續(xù)性。
圖1 R2R 典型組件的生產(chǎn)線示意圖01
01縱向動(dòng)力學(xué)
圖2 多跨段卷對(duì)卷（R2R）生產(chǎn)線中的應(yīng)變傳輸（Ti和εi分別表示第i個(gè)卷材跨段的卷材張力和應(yīng)變，Vi表示第i個(gè)跨段末端的卷材縱向速度，Li表示第i個(gè)跨段的長(zhǎng)度，其中i=1–3）02
02橫向動(dòng)力學(xué)
圖3 用于控制卷材橫向位置的位移導(dǎo)向裝置示意圖：(a)前視圖和(b) 底視圖
03卷材打滑
實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在緊急停機(jī)、啟動(dòng)加速及低張力條件下，卷材可能在輥?zhàn)由洗蚧?，不僅影響生產(chǎn)質(zhì)量，還可能損壞設(shè)備。為此，研究者開發(fā)了考慮卷材與輥?zhàn)娱g摩擦的多跨段R2R模型，以預(yù)測(cè)并避免打滑現(xiàn)象。
04黏彈性
單個(gè)跨段中黏彈性卷材的行為可以用彈性模型來(lái)描述，但在多跨段系統(tǒng)中，這種預(yù)測(cè)與實(shí)際情況存在顯著差異。因此，大型、高精度的R2R系統(tǒng)中多跨段黏彈性至關(guān)重要。例如，在R2R干法轉(zhuǎn)移系統(tǒng)中，黏彈性可能導(dǎo)致薄膜剝離過(guò)程中的粘滑現(xiàn)象，給控制設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。因此，在高級(jí)應(yīng)用中必須充分考慮黏彈性效應(yīng)。05
05輥?zhàn)悠呐c卷材跨段長(zhǎng)度變化
06剝離動(dòng)力學(xué)
07熱效應(yīng)
圖6 (a) 對(duì)應(yīng)120°C干燥溫度的環(huán)境溫度分布圖；
08數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模
在R2R涂布技術(shù)中，由于工業(yè)系統(tǒng)規(guī)模龐大且動(dòng)力學(xué)復(fù)雜，傳統(tǒng)基于原理的建模面臨挑戰(zhàn)，且理論模型性能易受多種因素影響。因此，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)辨識(shí)方法因其能自動(dòng)考慮未建模動(dòng)力學(xué)特性而備受青睞。例如，采用離散多項(xiàng)式模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)R2R系統(tǒng)進(jìn)行建模，這些方法有效表示了大型復(fù)雜系統(tǒng)。然而，僅憑數(shù)據(jù)方法難以揭示潛在物理機(jī)制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也難以線性化，增加了控制設(shè)計(jì)難度。因此，混合建模方法結(jié)合了物理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，如流變結(jié)構(gòu)模型，成為R2R控制設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)，這種方法能在較少傳感器條件下估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)并實(shí)時(shí)糾正誤差，對(duì)先進(jìn)R2R系統(tǒng)的分析與控制至關(guān)重要。
表1 R2R系統(tǒng)常用建模方法及其特點(diǎn)
卷對(duì)卷控制系統(tǒng)
01周期性擾動(dòng)
在R2R系統(tǒng)中，周期性擾動(dòng)是影響卷筒張力和位置的關(guān)鍵因素，這些擾動(dòng)源自卷筒上的印刷圖案或硬件缺陷，如偏心輥和電機(jī)摩擦。為抑制這些擾動(dòng)，已有學(xué)者研究并應(yīng)用了H∞最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和迭代學(xué)習(xí)控制（ILC）等技術(shù)。這些技術(shù)通過(guò)假設(shè)擾動(dòng)發(fā)生在已知頻率上，基于電機(jī)速度來(lái)優(yōu)化控制，有效解耦張力和速度動(dòng)力學(xué)，并實(shí)時(shí)估計(jì)及抑制擾動(dòng)，從而確保R2R系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性。
02模塊化
圖7 三個(gè)子系統(tǒng)的重疊分散控制方案
03子系統(tǒng)間誤差傳遞
04低張力要求
05其他問題
部件故障與容錯(cuò)控制（FTC）
R2R生產(chǎn)線規(guī)模龐大，配備眾多傳感器和執(zhí)行器，因此系統(tǒng)控制律必須能夠應(yīng)對(duì)各種部件故障。FTC是處理此類故障的有效手段，分為被動(dòng)型FTC：確保即使某些部件發(fā)生故障，系統(tǒng)仍能在可接受的容差范圍內(nèi)運(yùn)行；主動(dòng)型FTC：在檢測(cè)到故障時(shí)主動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)。
R2R生產(chǎn)中，執(zhí)行器常受到電機(jī)扭矩等物理限制，MPC是唯一能夠嚴(yán)格管理這些輸入約束的控制器類型。
06小結(jié)
表2 R2R系統(tǒng)面臨主要挑戰(zhàn)的控制方法及其優(yōu)缺點(diǎn)
展望
R2R制造技術(shù)在生產(chǎn)低成本場(chǎng)效應(yīng)（FE）器件和儲(chǔ)能組件等高端產(chǎn)品方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而，要實(shí)現(xiàn)R2R工藝在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，仍需解決一系列影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)建模方面：需為工業(yè)規(guī)模R2R系統(tǒng)建立準(zhǔn)確實(shí)用模型?；谖锢淼哪Ｐ鸵蜃酉到y(tǒng)應(yīng)變和張力相互作用復(fù)雜產(chǎn)生偏差，基于數(shù)據(jù)的模型與系統(tǒng)參數(shù)無(wú)直接聯(lián)系，增加擴(kuò)展和控制難度?；旌夏Ｐ褪菨撛诜桨?，它依賴物理方法并結(jié)合自適應(yīng)技術(shù)。此外，先進(jìn)FE制造需考慮卷材粘彈性，傳統(tǒng)模型將其視為純彈性材料。還需正確建模卷材橫向誤差，尤其在低張力傳輸易滑移時(shí)。對(duì)于環(huán)境溫度變化的制造過(guò)程，高精度熱建模有用，但開發(fā)面向控制的可實(shí)現(xiàn)模型關(guān)鍵。同時(shí)，要增強(qiáng)對(duì)R2R干剝離動(dòng)力學(xué)（如粘滑現(xiàn)象、卷材彎曲能量影響）的建模，模型應(yīng)考慮環(huán)境溫度、粘彈性和剝離前沿幾何形狀等因素，以開發(fā)基于模型的控制器。
系統(tǒng)控制方面：工業(yè)規(guī)模R2R過(guò)程，特別是R2R打印，需增強(qiáng)張力和位置誤差控制。當(dāng)前多數(shù)微接觸打印工藝雖能實(shí)現(xiàn)1-20微米分辨率，但離散不可擴(kuò)展，工業(yè)R2R打印最先進(jìn)技術(shù)分辨率為50-100微米，近期研究在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模R2R機(jī)器實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)精度。為進(jìn)一步提高精度，研究應(yīng)關(guān)注卷材打印圖案、低張力卷材控制及抑制大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）R2R過(guò)程子系統(tǒng)間干擾。打印圖案影響卷材屬性，不考慮會(huì)降低產(chǎn)品質(zhì)量，如R2R剝離過(guò)程中，不同狀態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和粘附能隨器件圖案變化，采用切換系統(tǒng)方法控制或有成效。低張力控制是新興領(lǐng)域，傳統(tǒng)R2R模型假設(shè)張力高忽略下垂和重力效應(yīng)，在先進(jìn)應(yīng)用中不成立，低張力會(huì)放大位置誤差。此外，R2R系統(tǒng)需減少干擾對(duì)整體影響，傳統(tǒng)局部解決方式因模塊化優(yōu)點(diǎn)和計(jì)算能力限制，高精度應(yīng)用可能需集中控制器，方案可包括創(chuàng)建最優(yōu)MIMO控制器并采用l1正則化等方法最小化子系統(tǒng)間通信。
結(jié)論
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