一種基于3d打印的曲面微透鏡陣列制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，采用3D打印設(shè)備沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向依序打印構(gòu)成曲面微透鏡陣列的各弧形截面層，層疊形成立著的曲面微透鏡陣列，具體包括以下步驟：1、建立曲面微透鏡陣列的三維數(shù)字模型，并沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向離散成一系列有序的弧形截面層，然后生成3D打印設(shè)備的數(shù)控指令；2、利用3D打印設(shè)備依序打印所述各弧形截面層，層層堆疊，并對打印材料進行3D成型，形成立著的曲面微透鏡陣列；3、將曲面微透鏡陣列放置于一與其曲面曲率相同的彎曲基板上進行后續(xù)熱處理，并對曲面微透鏡陣列進行拋光處理形成光滑的微透鏡表面。該方法制作工藝簡單，精度高，成本低。
【專利說明】—種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微透鏡陣列制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微透鏡陣列指由一系列直徑在幾微米到幾毫米之間的微型透鏡按一定的方式排列而成的陣列，可以實現(xiàn)光束的聚焦、發(fā)射、偏折、分割、復(fù)合、開關(guān)、耦合、接收等功能，是微光學(xué)系統(tǒng)的重要器件之一，被廣泛應(yīng)用于裸眼立體顯示、光束整形、光纖耦合等領(lǐng)域。尤其在人工復(fù)眼和集成成像3D顯示中，曲面微透鏡陣列可提高觀看視場角。目前，微透鏡陣列的制作方法主要有:(1)通過機械方法制備出金屬模具，再采用倒模的方法制備出微透鏡陣列。(2)采用光刻膠熱熔技術(shù)制備基于光刻膠材料的微透鏡陣列。(3)采用干法和濕法刻蝕的方法。上述方法在制備平面微透鏡陣列時各有優(yōu)勢，但在制備曲面微透鏡陣列時，工藝過程復(fù)雜，成本高，且存在工藝技術(shù)上如何形成曲面的難點，微透鏡陣列參數(shù)難以控制。3D打印，也稱疊層制造，是一種通過將一個虛擬3D模型經(jīng)過分層后，對材料進行逐次疊加形成實體的技術(shù)，無需機械加工或任何模具，可成倍降低新產(chǎn)品研發(fā)成本，是近年來逐漸成熟和興起的一種制造技術(shù)，并已發(fā)展成具有挑戰(zhàn)大規(guī)模生產(chǎn)方式的能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，該方法制作工藝簡單，精度高，成本低。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，采用3D打印設(shè)備沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向依序打印構(gòu)成曲面微透鏡陣列的各弧形截面層，層疊形成立著的曲面微透鏡陣列。
[0005]進一步的，所述一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，包括以下步驟: 步驟S1:建立曲面微透鏡陣列的三維數(shù)字模型，并沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向離散成一系列有序的弧形截面層，然后根據(jù)打印工序，生成3D打印設(shè)備的數(shù)控指令；步驟S2:利用3D打印設(shè)備依序打印所述各弧形截面層，層層堆疊，并對打印材料進行3D成型，最終形成立著的曲面微透鏡陣列；
步驟S3:將打印成型的曲面微透鏡陣列放置于一與曲面微透鏡陣列的曲面曲率相同的彎曲基板上進行后續(xù)熱處理，并對曲面微透鏡陣列進行拋光處理形成光滑的微透鏡表面。
[0006]進一步的，采用多噴頭3D打印設(shè)備同時制造多個曲面微透鏡陣列，以提高效率。
[0007]進一步的，所述曲面微透鏡陣列中，微透鏡形狀包括圓形、多邊形和不規(guī)則形狀。
[0008]進一步的，打印所述曲面微透鏡陣列的材料包括透明有機聚合物、透明無機材料。
[0009]進一步的，采用非透明材料打印所述曲面微透鏡陣列，并以非透明材料打印的所述曲面微透鏡陣列作為模具，通過轉(zhuǎn)移，制備其他材料的曲面微透鏡陣列。
[0010]進一步的，所述3D成型的方式包括光敏材料的立體光固成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融擠出成型、三維噴繪打印。
[0011]本發(fā)明的有益效果是克服了現(xiàn)有曲面微透鏡陣列制備方法存在的制作工藝難度大，成本高的問題，提供一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，對任何曲率的曲面微透鏡陣列制作無需開模，通過生成三維數(shù)字模型后直接打印，不僅簡化了制作工藝，而且提供了制作精度，降低了生產(chǎn)成本，具有很強的實用性和廣闊的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明曲面微透鏡陣列制作方法的實現(xiàn)流程圖。
[0013]圖2是本發(fā)明實施例中曲面微透鏡陣列的打印過程示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明實施例中曲面微透鏡陣列的弧形截面層片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中，01-曲面微透鏡陣列的弧形面；02_曲面微透鏡陣列中的微透鏡；03_3D打印機噴頭；04-3D打印機樣品臺。

【具體實施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下將通過具體實施例和相關(guān)附圖，對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0017]本發(fā)明基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，采用3D打印設(shè)備沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向依序打印構(gòu)成曲面微透鏡陣列的各弧形截面層，即對曲面微透鏡陣列進行豎著打印，層疊形成立著的曲面微透鏡陣列，具體制作過程如圖1所示，包括以下步驟:
步驟S1:建立曲面微透鏡陣列的三維數(shù)字模型，并沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向離散成一系列有序的弧形截面層，然后根據(jù)打印工序，生成3D打印設(shè)備的數(shù)控指令。設(shè)計生成所述曲面微透鏡陣列的三維數(shù)字模型方法包括計算機三維建模、立體掃描、立體攝像。
[0018]步驟S2:利用3D打印設(shè)備依序打印所述各弧形截面層，層層堆疊，并對打印材料進行3D成型，最終形成立著的曲面微透鏡陣列。
[0019]步驟S3:將打印成型的曲面微透鏡陣列放置于一與曲面微透鏡陣列的曲面曲率相同的彎曲基板上進行后續(xù)熱處理，并對曲面微透鏡陣列進行拋光處理形成光滑的微透鏡表面。
[0020]所述曲面微透鏡陣列中，微透鏡形狀包括圓形、多邊形和不規(guī)則形狀，微透鏡分布可根據(jù)需要在三維數(shù)字模型設(shè)計時任意調(diào)整。
[0021]打印所述曲面微透鏡陣列的材料包括透明有機聚合物、透明無機材料。也可以采用非透明材料打印所述曲面微透鏡陣列，并以非透明材料打印的所述曲面微透鏡陣列作為模具，通過轉(zhuǎn)移，制備其他材料的曲面微透鏡陣列。
[0022]所述3D成型的方式包括光敏材料的立體光固成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融擠出成型、三維噴繪打印。下面以立體光固成型為例，說明利用立體光固成型實現(xiàn)本發(fā)明基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其具體方案包括以下步驟:
(一)設(shè)計生成曲面微透鏡陣列的三維數(shù)字模型 1、CAD模型的建立
工件的三維模型，可采用三維CAD軟件(如AUTO CAD、UG、Pro/Engineer、Solidfforks)建立，也可米用 CT (Computer Tomography)、MRI (Magnetic Resonance Imaging)等方式對工件樣品進行掃描，然后轉(zhuǎn)換為三維模型。優(yōu)選的，本實施例采用AUTO CAD軟件進行三維模型的建立。
[0023]2、CAD模型的近似處理
工件成形前，采用STL格式化處理方式，對CAD模型進行近似處理，消除一些不規(guī)則的自由曲面。具體操作為:構(gòu)造一系列小三角形來逼近自由曲面，其中三角形的大小，有工件所要求的精度來確定，精度要求越高，三角形越小。所構(gòu)造的三角形中，每一個小三角形平面必須與相鄰的各個小三角形平面共兩個頂點，且保證在三維模型的所有表面上，必須布滿小三角形平面，不得有任何遺漏。最后，將三維模型轉(zhuǎn)化為三維打印機能接受和操作的STL格式。
[0024]3、CAD模型的分層切片
利用三維打印機將工件的STL格式三維模型轉(zhuǎn)化為一系列二維截面圖形，即對CAD模型進行分層切片，相鄰切片層之間的垂直距離為成形層高，層高越小，成形工件的精度和表面品質(zhì)越好，但成形時間越長。根據(jù)3D打印機的精度和打印時間，優(yōu)選的，本實施例取層高為0.1mm。如圖2所示，將三維數(shù)字模型沿Z方向離散成一系列有序的二維弧形截面層片，弧形截面層片結(jié)構(gòu)如圖3所示，每層二維弧形截面層片厚度為100微米。根據(jù)每層輪廓信息，進行工藝規(guī)劃，選擇加工參數(shù)，自動生成3D打印設(shè)備的數(shù)控指令。
[0025](二)利用3D打印設(shè)備對曲面微透鏡陣列進行打印
本實施例采用上海聯(lián)泰科技有限公司的RS系列激光快速成型設(shè)備對曲面微透鏡陣列進行打印，曲面微透鏡陣列材料為WBSLA2820透明光敏樹脂，并設(shè)置打印溫度為260°C，掃描速度為5m/s。成形機制造一系列層片并自動將它們堆積起來，得到曲面微透鏡陣列三維物理實體。
[0026](三)曲面微透鏡陣列三維物理實體進行后續(xù)熱處理及拋光
為獲得表面更加光滑的透鏡表面，將制得的曲面微透鏡陣列放置于一與曲面曲率相同的彎曲基板，并放置于200°C的烘箱中進行烘烤2小時，取出放置于室溫中自然冷卻后，采用化學(xué)拋光的方法對曲面微透鏡陣列的表面進一步處理后，最終形成表面光滑曲面微透鏡陣列。
[0027]上列較佳實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其特征在于，采用3D打印設(shè)備沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向依序打印構(gòu)成曲面微透鏡陣列的各弧形截面層，層疊形成立著的曲面微透鏡陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟S1:建立曲面微透鏡陣列的三維數(shù)字模型，并沿曲面微透鏡陣列的曲面的直導(dǎo)線方向離散成一系列有序的弧形截面層，然后根據(jù)打印工序，生成3D打印設(shè)備的數(shù)控指令； 步驟S2:利用3D打印設(shè)備依序打印所述各弧形截面層，層層堆疊，并對打印材料進行3D成型，最終形成立著的曲面微透鏡陣列； 步驟S3:將打印成型的曲面微透鏡陣列放置于一與曲面微透鏡陣列的曲面曲率相同的彎曲基板上進行后續(xù)熱處理，并對曲面微透鏡陣列進行拋光處理形成光滑的微透鏡表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其特征在于，采用多噴頭3D打印設(shè)備同時制造多個曲面微透鏡陣列，以提高效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其特征在于，所述曲面微透鏡陣列中，微透鏡形狀包括圓形、多邊形和不規(guī)則形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其特征在于，打印所述曲面微透鏡陣列的材料包括透明有機聚合物、透明無機材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其特征在于，采用非透明材料打印所述曲面微透鏡陣列，并以非透明材料打印的所述曲面微透鏡陣列作為模具，通過轉(zhuǎn)移，制備其他材料的曲面微透鏡陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種基于3D打印的曲面微透鏡陣列制作方法，其特征在于，所述3D成型的方式包括光敏材料的立體光固成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融擠出成型、三維噴繪打印。
【文檔編號】B29C67/00GK104401002SQ201410237618
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年5月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月31日
【發(fā)明者】郭太良, 周雄圖, 胡海龍, 張永愛, 葉蕓, 林志賢, 陳恩果, 姚劍敏, 林木飛, 曾祥耀 申請人:福州大學(xué)