[發明專利]一種基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法

有效

• 申請號: 201610244276.3
• 申請日: 2016-04-19
• 公開（公告）號: CN105818383B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 賈坤;王勉;王鐵軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B29C64/165
• 分類號: B29C64/165;B33Y10/00;B33Y50/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 何會俠

1.一種基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，其特征在于，目標超材料實體同時使用液態光敏樹脂和固體微粒作為打印原料進行3D打印，其中液態光敏樹脂作為超材料基材的原材料，固體微粒作為人造微結構，最終形成固態光敏樹脂為基材并包裹有序排列的人造微結構的三維復雜曲面超材料；具體打印方法包括如下步驟：

(1)將所述液態光敏樹脂容置于具有透明槽底的儲液槽中；

(2)將所述作為人造微結構的固體微粒分散于少量液態光敏樹脂中形成的混合物并裝入移液管備用；固體微粒分散于光敏樹脂前進行表面活性處理，使其易于在液態光敏樹脂中分散；

(3)計算機輔助設計超材料的三維模型

使用計算機的有限元程序數值計算電磁波、聲波在超材料中傳播的過程，從而得到滿足既定功能超材料的的幾何構型和拓撲結構，并通過計算機輔助設計得到所需制造超材料的三維模型；

(4)生成打印文件和全息圖像文件

將三維模型進行前處理和分層處理后導入立體光固化成型的3D打印設備，設置支撐及工藝參數，最終生成打印文件；同時將三維模型分層處理后輸出生成包含人造微結構空間排序信息的全息圖像文件導入全息光鑷；

(5)全息光鑷在儲液槽中生成光勢阱

全息圖像的相位信息進行數字編碼后影射到全息光鑷的液晶空間光調制器,單束固態激光經液晶空間光調制器后分裂為多束激光，經望遠鏡、反射鏡及物鏡后，從儲液槽上部或儲液槽的透明槽底部入射，在液態光敏樹脂中形成與所制造超材料中微結構具有相同排序方式的光勢阱；

(6)固體微粒俘獲于各光勢阱中

將移液管中的混合物加入儲液槽中生成光勢阱的大致位置，分散于液態光敏樹脂中的固體微粒受到散射力和梯度力的聯合作用，聚集在各光勢阱中，從而形成所設計的有序排列人造微結構；

(7)打印有序微結構所在平面的基材

立體光固化成型的3D打印設備的光源系統發出與液態光敏樹脂聚合反應對應波長相一致的紫外光線從儲液槽的透明槽底部或儲液槽的上部射入，首先聚焦于俘獲有微結構的有序光勢阱所在平面，光固化包裹有序微結構的基材；

當步驟(5)所述的多束激光經望遠鏡、反射鏡及物鏡后從儲液槽上部入射時，則立體光固化成型的3D打印設備的光源系統發出與液態光敏樹脂聚合反應對應波長相一致的的紫外光線從儲液槽的透明槽底部；當步驟(5)所述的多束激光經望遠鏡、反射鏡及物鏡，后從儲液槽的透明槽底部入射時，則立體光固化成型的3D打印設備的光源系統發出與液態光敏樹脂聚合反應對應波長相一致的紫外光線從儲液槽的上部射入；

(8)分層打印有序微結構所在固化層下方的基材

關閉全息光鑷，分層打印步驟(7)中已固化的有序微結構所在層下方的基材，得到所設計超材料的下半部分；

(9)分層打印有序微結構所在固化層上方的基材

將步驟(8)中得到的所設計超材料的下半部分上下反轉，分層打印步驟(7)中已固化的有序微結構所在層上方的基材，最終得到所設計超材料；

(10)后處理

對所制造超材料進行清洗、去支撐和表面打磨。

2.根據權利要求1所述的基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：所述固體微粒的特征尺寸小于2微米，具體尺寸根據所制備超材料目標功能而選取。

3.根據權利要求1所述的基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：所述固體微粒為金屬微球、高分子微球或碳納米管。

4.根據權利要求1所述的基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：所述固體微粒在液態光敏樹脂中分散的體積分數不超過1％。

5.根據權利要求1所述的基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：步驟(7)所述光固化包裹有序微結構的基材，其中使用固化光源強度大于6W/cm²。

6.根據權利要求1所述的基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：步驟(7)所述光固化包裹有序微結構的基材，其中光固化采用LED紫外光源。