一種多光束激光干涉跨尺度3d打印系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用多光束激光干涉技術(shù)產(chǎn)生的微納復(fù)合周期性結(jié)構(gòu)干涉光源獲得跨尺度3D打印的方法和系統(tǒng)。屬于對(duì)現(xiàn)有3D打印方法的改進(jìn)。
【背景技術(shù)】
[0002]三維打印(Three Dimens1n Printing，簡(jiǎn)稱3DP)是一種快速成型技術(shù)，是指增材制造，首先計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的三維模型數(shù)據(jù)分為層片模型數(shù)據(jù)后，通過逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成三維實(shí)體物件的過程。3D打印具有成本低、工作過程無污染、成型速度快等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)對(duì)航空航天、汽車、醫(yī)療和消費(fèi)電子產(chǎn)品等核心產(chǎn)業(yè)的革新有巨大推動(dòng)作用。從世界范圍來看，經(jīng)過多年的發(fā)展，3D打印已經(jīng)形成比較完善的技術(shù)體系，應(yīng)用范圍不斷拓展，產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，市場(chǎng)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。
[0003]近幾年，隨著3D打印的關(guān)鍵技術(shù)專利陸續(xù)到期，如下:
[0004]專利名稱:快速和精確制造光固化零部件(Rapid and Accurate Product1n ofStereolithographic Parts)美國專利號(hào) 5610824，專利權(quán)人:3D Systems 公司；
[0005]專利名稱:用于除去恪融沉積成型的支撐的工藝(Process of Support Removalfor Fused Deposit1n Modeling)美國專利號(hào) 5503785，專利權(quán)人:Stratasys 公司；
[0006]專利名稱:增材制造的裝置和方法(Additive Fabricat1n Apparatus andMethod)美國專利號(hào)5529471，專利權(quán)人:南加州大學(xué)；
[0007]專利名稱:通過光固化制造三維物體的方法(Method for Product1n ofThree-Dimens1nal Objects by Stereolithography)美國專利號(hào) 5762856，專利權(quán)人:3DSystems 公司。
[0008]3D打印的成本出現(xiàn)下降，促使低價(jià)3D打印機(jī)市場(chǎng)快速擴(kuò)張，它的工業(yè)用途也將持續(xù)擴(kuò)張。特別是在工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和消費(fèi)應(yīng)用中將尤其突出。在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印充分適應(yīng)了個(gè)人定制的特殊要求。2015年我國發(fā)布的《中國制造2025》圍繞重點(diǎn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和新一代信息技術(shù)、智能制造、增材制造、新材料、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的重大共性需求開展關(guān)鍵性技術(shù)的研發(fā)。更進(jìn)一步提出了對(duì)3D打印技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)化的需求。
[0009]隨著微米技術(shù)和納米技術(shù)的成熟化、多樣化和工業(yè)化，微納復(fù)合技術(shù)和微納復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。材料表面的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)能使材料產(chǎn)生一些獨(dú)特的性能，如超疏水、超光學(xué)吸收、超粘附等，在人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面都有著廣闊的應(yīng)用前景。因此簡(jiǎn)單、實(shí)用、高效制備微納復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的方法，不論在科學(xué)研究領(lǐng)域還是在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域都有著非常重要的意義。
[0010]傳統(tǒng)激光3D打印技術(shù)應(yīng)用單光束激光聚焦為光源，打印的速度和分辨率都受制于聚焦光斑的尺寸。
[0011]本發(fā)明提出的多光束激光干涉納米制造技術(shù)是利用兩束或兩束以上光束相干疊加，產(chǎn)生強(qiáng)度周期性調(diào)制的光強(qiáng)能量分布，當(dāng)這種周期調(diào)制的光強(qiáng)能量分布與材料相互作用時(shí)，可在材料表面制造出二維或三維周期性納米結(jié)構(gòu)，即微納復(fù)合結(jié)構(gòu)圖案。如專利201110145715.2《一種仿真飛蛾復(fù)眼光學(xué)減反射結(jié)構(gòu)圖案的方法和系統(tǒng)》，就是利用多光束激光干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。生成圖案的特征尺寸、形狀和周期從納米到微米連續(xù)可調(diào)，并且可在曲面上完成，但此專利只在材料表面應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的3D打印。而本發(fā)明采用分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來生成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)三維實(shí)體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用多光束激光干涉技術(shù)產(chǎn)生的微納復(fù)合周期性結(jié)構(gòu)干涉光源獲得跨尺度3D打印系統(tǒng)及方法，提高了原有3D打印速度及分辨率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了被打印物體的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)材料直接成型，為快速、大面積、高效的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)。
[0013]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種多光束激光干涉跨尺度3D打印系統(tǒng)，包括:圖像采集數(shù)據(jù)處理模塊(I)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系統(tǒng)(4)、三維打印平臺(tái)(5)、打印材料(6)和CCD顯微成像系統(tǒng)(7);打印材料(6)置于三維打印平臺(tái)(5)上；首先圖像采集數(shù)據(jù)處理模塊(I)將打印物體3D物理模型分層，并傳送給PC控制中心(2);根據(jù)打印納米圖案尺寸要求，PC控制中心(2)模擬3D納米圖案結(jié)構(gòu)成型物理模型并設(shè)置分光系統(tǒng)(4)參數(shù)，使分光系統(tǒng)(4)將激光器(3)輸出的單束激光分為多束相干光，并設(shè)定各路相干光束的入射角和空間角，各路相干光的偏振狀態(tài)一致，通過參數(shù)設(shè)定使多束相干光組合，在CCD顯微成像系統(tǒng)(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微納復(fù)合結(jié)構(gòu)圖案；CCD顯微成像系統(tǒng)(7)檢測(cè)相干光形成的干涉結(jié)構(gòu)圖案信息并反饋給PC控制中心(2)，PC控制中心⑵對(duì)分光系統(tǒng)(4)的參數(shù)修正，使CCD顯微成像系統(tǒng)(7)檢測(cè)干涉圖案分布周期達(dá)到打印納米圖案尺寸要求，參數(shù)設(shè)定完成；PC控制中心(2)精確地控制三維打印平臺(tái)(5)在二維平面的掃描速度及方式，相干光按照被打印物體3D物理模型截面輪廓逐點(diǎn)掃描，與被打印材料
(6)作用使作用處材料成型，獲得該截面輪廓的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)薄片，設(shè)置打印平臺(tái)(5)升起或下降一層薄片的距離后繼續(xù)分層掃描，疊加成型的方式逐層增加材料生成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)三維模型。
[0014]所述多束相干光束數(shù)量為2-6束，設(shè)定各路相干光束入射角為0° -90°，空間角
O。- 360。。
[0015]所述多束相干光在干涉場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)弱調(diào)制的光強(qiáng)度分布，用調(diào)制后重新分布的光強(qiáng)分布作為3D打印光源，在CCD顯微成像系統(tǒng)(7)或打印材料￠)的表面上形成周期性微納復(fù)合結(jié)構(gòu)圖案。
[0016]所述PC控制中心(2)設(shè)置分光系統(tǒng)(4)參數(shù)時(shí)，使得干涉光場(chǎng)強(qiáng)度分布周期達(dá)到打印納米圖案尺寸要求，圖案周期50-5000nm可調(diào)，線柵、點(diǎn)陣、多圖形組合等微納復(fù)合結(jié)構(gòu)圖案可選，圖形占空比1:1-1:10可選。
[0017]所述PC控制中心⑵對(duì)分光系統(tǒng)(4)的參數(shù)修正，由CXD顯微成像系統(tǒng)(7)檢測(cè)相干光形成的干涉圖案信息并反饋給PC控制中心(2)，與模擬圖案進(jìn)行比對(duì)，調(diào)整分光系統(tǒng)參數(shù)，減小誤差，實(shí)現(xiàn)CCD顯微成像系統(tǒng)檢測(cè)干涉圖案與打印圖案一致。
[0018]所述周期性微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的相干光與被打印材料(6)作用，經(jīng)過物理或化學(xué)變化使作用處材料直接成型為微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0019]所述PC控制中心(2)根據(jù)設(shè)置精確地控制三維打印平臺(tái)(5)在二維平面的掃描速度及方式，掃描速度(1-lOmm/s)，通過打印物體3D物理模型截面輪廓確定范圍，逐點(diǎn)填充掃描，獲得該截面輪廓的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)薄片，升起或下降一層薄片的距離(100nm-2um)后繼續(xù)分層掃描，疊加成型的方式逐層增加材料生成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)三維模型。
[0020]多光束激光干涉跨尺度3D打印方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0021]A.采集數(shù)據(jù)處理模塊(I)將打印物體3D物理模型分層，并傳送給PC控制中心
(2)；
[0022]B.PC控制中心⑵根據(jù)打印納米圖案尺寸要求模擬3D納米圖案結(jié)構(gòu)成型物理模型并設(shè)置分光系統(tǒng)(4)參數(shù)，使分光系統(tǒng)(4)將激光器(3)輸出的單束激光分為多束相干光，使得干涉光場(chǎng)強(qiáng)度分布周期達(dá)到打印納米圖案尺寸要求；
[0023]C.相干光在干涉場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)弱調(diào)制的光強(qiáng)度分布，用調(diào)制后重新分布的光強(qiáng)分布作為3D打印光源，在CCD顯微成像系統(tǒng)(7)和打印材料￠)的表面上形成周期性微納復(fù)合結(jié)構(gòu)圖案；
[0024]D.C⑶顯微成像系統(tǒng)(7)檢測(cè)相干光形成的干涉圖案信息并反饋給PC控制中心
(2)，與模擬圖案進(jìn)行比對(duì)，通過PC控制中心(2)對(duì)分光系統(tǒng)(4)的參數(shù)修正，減小誤差，實(shí)現(xiàn)CCD顯微成像系統(tǒng)檢測(cè)干涉圖案與打印圖案一致；
[0025]E.相干光與被打印材料(6)作用，經(jīng)過物理或化學(xué)變化使作用處材料直接成型為微納復(fù)合結(jié)構(gòu)；
[0026]F.通過PC控制中心(2)精確控制三維打印平臺(tái)的位移，相干光有步驟分層掃描被打印材料出)，疊加成型的方式逐層增加材料實(shí)現(xiàn)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的3D打印。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有3D打印方法和系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn):
[0028](I)由于現(xiàn)有3D激光打印采用單光束激光聚焦為光源，打印的速度和分辨率都受制于聚焦光斑的尺寸，本發(fā)明采用多光束激光干涉技術(shù)產(chǎn)生的微納復(fù)合周期性結(jié)構(gòu)干涉光為光源，曝光場(chǎng)面積大、效率高。
[0029](2)由于激光干涉技術(shù)產(chǎn)生的圖案結(jié)構(gòu)從納米級(jí)到微米級(jí)可調(diào)，具有圖形特征尺寸小、周期性好、圖案密度可調(diào)性好的優(yōu)點(diǎn)，使得微納復(fù)合結(jié)構(gòu)3D打印的周期設(shè)置更方便。
[0030](3)由于本發(fā)明直接生成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的3D打印，節(jié)省打印材料，相比現(xiàn)有方法具有快速、大面積、精密、低成本實(shí)現(xiàn)微納復(fù)合材料3D打印的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的多光束激光干涉跨尺度3D打印系統(tǒng)原理示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1六光束激光分光系統(tǒng)不意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1六光束激光干涉3D打印系統(tǒng)示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1計(jì)算仿