本發(fā)明涉及增材制造領(lǐng)域，具體涉及到全息超聲場(chǎng)面自成型增材制造方法及裝置。

背景技術(shù)：

增材制造技術(shù)是采用材料逐漸累加的方式進(jìn)行實(shí)體制造，相對(duì)于傳統(tǒng)的減材制造、等材制造等加工技術(shù)，極大程度的減少了加工工序和加工刀具，縮短產(chǎn)品的加工時(shí)間和制造周期，實(shí)現(xiàn)快速精密制造復(fù)雜零件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)綠色制造，對(duì)促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短研發(fā)周期等具有積極推動(dòng)作用。

立體光固化增材制造(SLA)是采用特定波長與固化強(qiáng)度的激光，使用液態(tài)光敏樹脂為原料。其工藝流程是：首先通過三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行所需件三維模型搭建，利用離散程序?qū)θS模型進(jìn)行切片處理并設(shè)計(jì)掃描路徑，匯聚激光根據(jù)掃描路徑經(jīng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)照射光敏樹脂，使之由點(diǎn)及線，由線及面固化，完成單個(gè)截面的固化成型，然后升降臺(tái)下降一定高度，繼續(xù)固化已固化層上方的液態(tài)光敏樹脂，層層堆疊實(shí)現(xiàn)所需件的三維成型。

數(shù)字光投影增材制造(DLP)原理上和立體光固化增材制造類似，均采用液態(tài)光敏樹脂為原料并分層固化，不同于SLA為激光頭單次固化一個(gè)點(diǎn)，DLP采用數(shù)字投影儀為光源，可實(shí)現(xiàn)單次固化一整個(gè)面，通過離散程序?qū)θS模型進(jìn)行切片處理后，產(chǎn)生許多幀圖像并由數(shù)字投影儀照射到液態(tài)光敏樹脂底面，透過玻璃窗口完成特定區(qū)域的表面一層樹脂的固化，配合升降臺(tái)進(jìn)行層層堆疊實(shí)現(xiàn)所需件的三維成型。

立體光固化增材制造能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)的固化成型，可控性能好精度高，但成型速度慢，具有較大缺陷。數(shù)字光投影增材制造能夠快速實(shí)現(xiàn)單個(gè)片的固化，極大程度的提高了成型速度，但成型速度過快導(dǎo)致固化的光敏樹脂材料易粘接在儲(chǔ)液槽底部的玻璃窗口上造成打印失敗，液態(tài)光敏樹脂具有一定的粘度，升降臺(tái)移動(dòng)過程中液態(tài)光敏樹脂補(bǔ)充過程較慢無法高效固化。

聲全息是利用光學(xué)全息照相的原理應(yīng)用在聲學(xué)領(lǐng)域而形成的聲成像技術(shù)。又稱聲全息術(shù)。聲全息的原理是利用聲波的干涉原理來獲得被觀察物體聲場(chǎng)全部信息(振幅分布和情況相位分布情況)，并利用聲波的衍射原理再現(xiàn)物體的像。傳統(tǒng)的聲全息是利用聲波在液面下直接記錄物體全部聲場(chǎng)信息，并直接體現(xiàn)在液面表面，此時(shí)液面通過變形形成等效的全息圖，后通過激光照射液面反射光進(jìn)行成像。德國馬普學(xué)會(huì)智能系統(tǒng)所的研究人員皮爾·費(fèi)希爾改變了傳統(tǒng)聲全息方法，利用制作聲全息透鏡并獲得所需聲場(chǎng)，使用該全息圖系統(tǒng)構(gòu)成的聲勢(shì)阱圖形，利用聲勢(shì)井的聲場(chǎng)梯度力迫使懸浮于水中的微粒聚集形成飛翔的和平鴿圖案。(Neild A.Acoustics:Motion controlled by sound[J].Nature,2016,537(7621):493-494.)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種全息超聲場(chǎng)面自成型增材制造方法及裝置，以解決當(dāng)前固化光敏樹脂易粘接在儲(chǔ)液槽底部的玻璃窗口造成打印失敗，液態(tài)光敏樹脂補(bǔ)充較慢造成固化缺陷或等待時(shí)間過程長等問題，同時(shí)保證固化速度和效果，實(shí)現(xiàn)高速高效高質(zhì)量的增材制造。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，包括下列步驟：

(1)將液態(tài)光敏樹脂作為主體材料置于儲(chǔ)液槽中；

(2)將超聲換能器置于儲(chǔ)液槽中并處于主體材料里；

(3)將經(jīng)表面活性處理的光引發(fā)劑置于儲(chǔ)液槽上方的陣列噴嘴中；

(4)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所需件的結(jié)構(gòu)并制作三維模型；

(5)根據(jù)步驟(4)所得的三維模型生成打印文件并制作全息聲透鏡：

將步驟(4)所得的三維模型進(jìn)行前處理和分層處理，設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)和打印工藝參數(shù)生成打印文件；同時(shí)根據(jù)迭代角譜算法計(jì)算出三維模型的各點(diǎn)相位及振幅信息并記錄在全息聲透鏡上，并將全息聲透鏡安裝在超聲換能器上；

所述全息聲透鏡的制作方法如下：

(a)采用迭代角譜算法通過各點(diǎn)振幅和相位計(jì)算全息透鏡各點(diǎn)厚度：

液面上未干涉的各點(diǎn)聲壓：

(x,y,z₀+nz_i)為液面處(第n層)各點(diǎn)的空間坐標(biāo)通式，為液面處(第n層)干涉后的已知聲壓，已知：波矢量表示液面處(第n層)聲波的傳播方向，k_x和k_y分別為波矢量在x軸和y軸方向的分量，波矢量在z軸方向的分量即主體材料每層固化的層厚為z_i，全息聲透鏡上表面z＝0，z₀為基板上表面到全息聲透鏡上表面的距離，n為步驟(5)中所述的分層處理的層數(shù)，為自然數(shù)；

全息聲透鏡需要記錄空間超聲場(chǎng)各點(diǎn)的相位、振幅信息，液面未干涉的各點(diǎn)聲壓可通過該點(diǎn)的振幅、相位表示，為：

為液面未干涉的各點(diǎn)聲波的振幅，φ(x,y,z₀+nz_i)為液面未干涉的各點(diǎn)聲波的相位；

聲波透過n個(gè)層厚的振幅關(guān)系式：

已知：為聲波透過第q層的振幅損失，為基板上表面的聲波振幅；

若該點(diǎn)為液態(tài)主體材料，則若為固化后的主體材料，則：

其中上述步驟(5)中生成打印文件時(shí)即已知任意點(diǎn)處的物質(zhì)狀態(tài)，已知：液態(tài)主體材料聲阻抗Z_m，固化后的聲阻抗Z_s，為聲波在主體材料固化后中的波數(shù)，λ_s為聲波在主體材料固化后中的波長；Z_q-1、Z_q為任一點(diǎn)在第q-1層、q層的聲阻抗，若為液態(tài)主體材料則為Z_m，若為固化后材料則為Z_s；

聲波由基板到液面的相位變化即全息聲透鏡到液面的相位變化為：

為聲波在液態(tài)主體材料中的波數(shù)，λ_m為聲波在液態(tài)主體材料中的波長，z_q為該點(diǎn)第q層的固化后主體材料的厚度，若該點(diǎn)為液態(tài)主體材料則z_q＝0，若該點(diǎn)為固化后的主體材料則z_q＝z_i；全息聲透鏡表面到基板上表面(即z＝0到z＝z₀)，物質(zhì)分布均勻，聲波相位無相對(duì)變化；

聲波穿過基板的振幅關(guān)系式：

已知：為聲波透過基板的振幅損失，基板厚度為T_B，基板的聲阻抗Z_B，液態(tài)主體材料聲阻抗Z_m，聲波在基板中的波數(shù)，λ_B為聲波在基板中波長；

全息聲透鏡上各點(diǎn)振幅和換能器輸出振幅的關(guān)系為：

已知：為聲波透過聲透鏡的振幅損失，為全息聲透鏡上表面聲波的振幅，為基板下表面的聲波振幅，超聲換能器輸出振幅液體材料對(duì)振幅影響極小可忽略，

已知：全息聲透鏡材料聲阻抗為Z_h，換能器表面材料聲阻抗為Z_t，為聲波在全息聲透鏡中的波數(shù)，λ_h為聲波在全息聲透鏡中的波長，為聲波在主體材料中的波數(shù)，λ_m為聲波在主體材料中的波長；

聲波相位改變值和全息聲透鏡厚度的關(guān)系：

△φ(x,y)＝(k_m-k_h)△T(x,y)

T(x,y)＝T₀-△T(x,y)

T(x,y)為全息聲透鏡的各個(gè)點(diǎn)的厚度，T₀全息聲透鏡的初始設(shè)定值，為已知常數(shù)，△T(x,y)全息聲透鏡去除的厚度值；

(b)使用高精度激光雕刻機(jī)將初始厚度為T₀的全息聲透鏡各點(diǎn)去除△T(x,y)厚度，制得各點(diǎn)厚度為T(x,y)的全息聲透鏡；

(6)超聲換能器產(chǎn)生超聲經(jīng)過全息聲透鏡，在儲(chǔ)液槽中形成精密超聲場(chǎng)；

(7)步驟(2)中的噴嘴陣列噴射微量光引發(fā)劑至主體材料表面聲勢(shì)井附近，并在主體材料表面超聲場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匯聚成二維圖形：

主體材料表面存在精密超聲場(chǎng)構(gòu)成的聲勢(shì)井，噴射至聲勢(shì)井附近的光引發(fā)劑在超聲場(chǎng)梯度力和散射力的共同作用下俘獲于聲勢(shì)井中，并匯聚成二維圖形；

(8)紫外燈照射普通液態(tài)樹脂表面，使步驟(7)中得到的二維圖形固化：

紫外燈照射至主體材料表面，光引發(fā)劑在紫外燈的照射下吸收光子，發(fā)生能量交換或電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自由基或陽離子等活性基團(tuán)引發(fā)主體材料單體聚合固化；

(9)超聲換能器、全息聲透鏡下降一個(gè)固化層的高度；

(10)重復(fù)步驟(7)至步驟(9)完成所需件的增材制造得到毛坯件；

(11)對(duì)步驟(10)所得的毛坯件進(jìn)行清洗，去支撐和表面打磨得到最終成型件。

本發(fā)明所述光引發(fā)劑的粒度為0.8-1μm。

本發(fā)明所述光引發(fā)劑在主體材料中的分散體積分?jǐn)?shù)為2％-4％。

一種全息超聲場(chǎng)面自成型增材制造裝置，全息聲透鏡安裝在聚焦超聲換能器上，聚焦超聲換能器和基板固定在升降臺(tái)上，且基板位于聚焦超聲換能器上方，高精密注射泵于噴頭陣列相連，噴頭陣列位于儲(chǔ)液槽上方，紫外燈位于儲(chǔ)液槽斜上方。

本發(fā)明所述聚焦超聲換能器工作頻率應(yīng)大于0.5MHz。

本發(fā)明所述基板為透波材料。

本發(fā)明所述透波材料為聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、環(huán)烯烴共聚物、云母、PEEK、ASA、PPS或LCP。

本發(fā)明將紫外燈置于主體材料表面，避免粘接儲(chǔ)液槽的玻璃窗口，超聲換能器和全息聲透鏡形成精密超聲場(chǎng)和聲勢(shì)井，聲勢(shì)井可構(gòu)成一個(gè)所需二維圖形，聲勢(shì)井進(jìn)行俘獲噴射的光引發(fā)劑并自動(dòng)形成二維圖形實(shí)現(xiàn)面的快速光固化，聲勢(shì)井在俘獲光引發(fā)劑的同時(shí)會(huì)聚集普通液態(tài)樹脂至聲勢(shì)井處，避免了光固化處普通液態(tài)樹脂無法及時(shí)補(bǔ)充的問題。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

可以實(shí)現(xiàn)快速面固化且與儲(chǔ)液槽的構(gòu)件不發(fā)生粘接，提高成型件的質(zhì)量，采用全息聲透鏡和超聲換能器產(chǎn)生精密超聲場(chǎng)，利用超聲場(chǎng)中的聲勢(shì)井俘獲光引發(fā)劑實(shí)現(xiàn)液面二維圖形自成型，并由紫外燈進(jìn)行快速固化；所述全息聲透鏡可記錄空間相位，結(jié)合聚焦超聲換能器可形成精密空間超聲場(chǎng)，改變超聲換能器、全息聲透鏡到普通液態(tài)樹脂液面的距離實(shí)現(xiàn)聲勢(shì)井圖案的改變從而改變自成型圖案，所述聲勢(shì)井俘獲光引發(fā)劑的同時(shí)聚集普通液態(tài)樹脂，解決液態(tài)樹脂因粘度補(bǔ)充過慢效率低等問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明增材制造方法原理圖；

圖2是本發(fā)明增材制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明噴頭陣列結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖4是本發(fā)明打印件的分層結(jié)構(gòu)示意圖及基板、全息聲透鏡、超聲換能器的位置示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明為全息超聲場(chǎng)面自成型增材制造方法，使用原料為普通液態(tài)樹脂，結(jié)合光引發(fā)劑實(shí)現(xiàn)普通液態(tài)樹脂的聚合固化。超聲換能器產(chǎn)生的超聲通過全息聲透鏡可在空間制造出一個(gè)精密空間超聲場(chǎng)，精密空間超聲場(chǎng)中每個(gè)平面均有大量聲勢(shì)井，且同一平面聲勢(shì)井構(gòu)成一個(gè)目標(biāo)二維圖形，聲勢(shì)井俘獲噴射在周圍的光引發(fā)劑，同時(shí)聚集周圍的普通液態(tài)樹脂，經(jīng)紫外燈照射實(shí)現(xiàn)光引發(fā)劑引發(fā)周圍普通液態(tài)樹脂聚合固化，完成單個(gè)平面的固化；改變超聲換能器全息聲透鏡到液面的距離，實(shí)現(xiàn)不同聲勢(shì)井圖案的切換，完成不同分層截面的固化并最終實(shí)現(xiàn)所需件的增材制造。

所述的光引發(fā)劑在使用前應(yīng)經(jīng)過表面活性處理使其易于在普通液態(tài)樹脂中分散，且分散體積分?jǐn)?shù)約為2％-4％，選用的光引發(fā)劑的特征尺寸0.8～1μm，具體尺寸應(yīng)根據(jù)所需件的精度和尺寸選用。

所述普通液態(tài)樹脂的動(dòng)力粘度應(yīng)小于0.20Pa·s，過高的粘度將減弱聲勢(shì)井俘獲光引發(fā)劑和聚集普通液態(tài)樹脂的能力。

所述紫外燈的固化強(qiáng)度應(yīng)不小于6W/cm，采用波長為250nm-400nm的紫外燈。

包括下列步驟：

(1)將液態(tài)光敏樹脂作為主體材料置于儲(chǔ)液槽中；

(2)將超聲換能器置于儲(chǔ)液槽中并處于主體材料里；

(3)將經(jīng)表面活性處理的光引發(fā)劑置于儲(chǔ)液槽上方的陣列噴嘴中；

(4)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所需件的結(jié)構(gòu)并制作三維模型；

(5)根據(jù)步驟(4)所得的三維模型生成打印文件并制作全息聲透鏡：

將步驟(4)所得的三維模型進(jìn)行前處理和分層處理，設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)和打印工藝參數(shù)生成打印文件；同時(shí)根據(jù)迭代角譜算法計(jì)算出三維模型的各點(diǎn)相位及振幅信息并記錄在全息聲透鏡上，并將全息聲透鏡安裝在超聲換能器上；

所述全息聲透鏡的制作方法如下：

(a)采用迭代角譜算法通過各點(diǎn)振幅和相位計(jì)算全息透鏡各點(diǎn)厚度：

液面上未干涉的各點(diǎn)聲壓：

(x,y,z₀+nz_i)為液面處(第n層)各點(diǎn)的空間坐標(biāo)通式，為液面處(第n層)干涉后的已知聲壓，已知：波矢量表示液面處(第n層)聲波的傳播方向，k_x和k_y分別為波矢量在x軸和y軸方向的分量，波矢量在z軸方向的分量即主體材料每層固化的層厚為z_i，全息聲透鏡上表面z＝0，z₀為基板上表面到全息聲透鏡上表面的距離，n為步驟(5)中所述的分層處理的層數(shù)，為自然數(shù)；

全息聲透鏡需要記錄空間超聲場(chǎng)各點(diǎn)的相位、振幅信息，液面未干涉的各點(diǎn)聲壓可通過該點(diǎn)的振幅、相位表示，為：

為液面未干涉的各點(diǎn)聲波的振幅，φ(x,y,z₀+nz_i)為液面未干涉的各點(diǎn)聲波的相位；

聲波透過n個(gè)層厚的振幅關(guān)系式：

已知：為聲波透過第q層的振幅損失，為基板上表面的聲波振幅；

若該點(diǎn)為液態(tài)主體材料，則若為固化后的主體材料，則：

其中上述步驟(5)中生成打印文件時(shí)即已知任意點(diǎn)處的物質(zhì)狀態(tài)，已知：液態(tài)主體材料聲阻抗Z_m，固化后的聲阻抗Z_s，為聲波在主體材料固化后中的波數(shù)，λ_s為聲波在主體材料固化后中的波長；Z_q-1、Z_q為任一點(diǎn)在第q-1層、q層的聲阻抗，若為液態(tài)主體材料則為Z_m，若為固化后材料則為Z_s；

聲波由基板到液面的相位變化即全息聲透鏡到液面的相位變化為：

為聲波在液態(tài)主體材料中的波數(shù)，λ_m為聲波在液態(tài)主體材料中的波長，z_q為該點(diǎn)第q層的固化后主體材料的厚度，若該點(diǎn)為液態(tài)主體材料則z_q＝0，若該點(diǎn)為固化后的主體材料則z_q＝z_i；全息聲透鏡表面到基板上表面(即z＝0到z＝z₀)，物質(zhì)分布均勻，聲波相位無相對(duì)變化；

聲波穿過基板的振幅關(guān)系式：

已知：為聲波透過基板的振幅損失，基板厚度為T_B，基板的聲阻抗Z_B，液態(tài)主體材料聲阻抗Z_m，聲波在基板中的波數(shù)，λ_B為聲波在基板中波長；

全息聲透鏡上各點(diǎn)振幅和換能器輸出振幅的關(guān)系為：

已知：為聲波透過聲透鏡的振幅損失，為全息聲透鏡上表面聲波的振幅，為基板下表面的聲波振幅，超聲換能器輸出振幅液體材料對(duì)振幅影響極小可忽略，

已知：全息聲透鏡材料聲阻抗為Z_h，換能器表面材料聲阻抗為Z_t，為聲波在全息聲透鏡中的波數(shù)，λ_h為聲波在全息聲透鏡中的波長，為聲波在主體材料中的波數(shù)，λ_m為聲波在主體材料中的波長；

聲波相位改變值和全息聲透鏡厚度的關(guān)系：

△φ(x,y)＝(k_m-k_h)△T(x,y)

T(x,y)＝T₀-△T(x,y)

T(x,y)為全息聲透鏡的各個(gè)點(diǎn)的厚度，T₀全息聲透鏡的初始設(shè)定值，為已知常數(shù)，△T(x,y)全息聲透鏡去除的厚度值；

(b)使用高精度激光雕刻機(jī)將初始厚度為T₀的全息聲透鏡各點(diǎn)去除△T(x,y)厚度，制得各點(diǎn)厚度為T(x,y)的全息聲透鏡；

(6)超聲換能器產(chǎn)生超聲經(jīng)過全息聲透鏡，在儲(chǔ)液槽中形成精密超聲場(chǎng)；

(7)步驟(2)中的噴嘴陣列噴射微量光引發(fā)劑至主體材料表面聲勢(shì)井附近，并在主體材料表面超聲場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匯聚成二維圖形：

主體材料表面存在精密超聲場(chǎng)構(gòu)成的聲勢(shì)井，噴射至聲勢(shì)井附近的光引發(fā)劑在超聲場(chǎng)梯度力和散射力的共同作用下俘獲于聲勢(shì)井中，并匯聚成二維圖形；

(8)紫外燈照射普通液態(tài)樹脂表面，使步驟(7)中得到的二維圖形固化：紫外燈照射至主體材料表面，光引發(fā)劑在紫外燈的照射下吸收光子，發(fā)生能量交換或電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生自由基或陽離子等活性基團(tuán)引發(fā)主體材料單體聚合固化；

(9)超聲換能器、全息聲透鏡下降一個(gè)固化層的高度；

(10)重復(fù)步驟(7)至步驟(9)完成所需件的增材制造得到毛坯件；

(11)對(duì)步驟(10)所得的毛坯件進(jìn)行清洗，去支撐和表面打磨得到最終成型件。

一種全息超聲場(chǎng)面自成型增材制造裝置，所述全息聲透鏡3安裝在聚焦超聲換能器2上，聚焦超聲換能器2和基板7固定在升降臺(tái)6上，且基板7位于聚焦超聲換能器2上方，高精密注射泵8于噴頭陣列4相連，噴頭陣列4位于儲(chǔ)液槽1上方，紫外燈5位于儲(chǔ)液槽1斜上方；

本發(fā)明所述聚焦超聲換能器工作頻率應(yīng)大于0.5MHz；

本發(fā)明所述基板7為透波材料，對(duì)聲波的傳播影響?。?/p>

本發(fā)明所述透波材料為聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、環(huán)烯烴共聚物、云母、PEEK、ASA、PPS或LCP；

進(jìn)料口與高精密注射泵8相連，通過控制單獨(dú)每個(gè)噴頭閥門開合，實(shí)現(xiàn)各個(gè)噴頭按需開合噴射。