[發(fā)明專(zhuān)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(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610244276.3
• 申請(qǐng)日: 2016-04-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105818383B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈坤;王勉;王鐵軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B29C64/165
• 分類(lèi)號(hào): B29C64/165;B33Y10/00;B33Y50/00
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所61215
• 代理人: 何會(huì)俠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于超材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法。

背景技術(shù)

超材料作為一類(lèi)擁有天然材料不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料，其通過(guò)在亞波長(zhǎng)的材料特征尺度上設(shè)計(jì)有序結(jié)構(gòu)，可以獲得超出自然界固有材料表觀自然規(guī)律限制的特殊功能，極大拓展了電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等學(xué)科的研究范疇，在航天、航空、電子、通信、物聯(lián)網(wǎng)、生物醫(yī)療器械、軍事等領(lǐng)域里展現(xiàn)了巨大的潛在價(jià)值和應(yīng)用前景。超材料被賦予的功能來(lái)自于其內(nèi)部的人工結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，一般由非金屬材料制成的基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內(nèi)部的多個(gè)人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成，由人造微結(jié)構(gòu)形成的每個(gè)超材料單元具有不同于基板本身的電、磁、力學(xué)特性，因此所有的超材料單元構(gòu)成的超材料對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)及聲場(chǎng)呈現(xiàn)出特殊的響應(yīng)特性，進(jìn)而通過(guò)對(duì)人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計(jì)，可以改變整個(gè)超材料的響應(yīng)特性。設(shè)計(jì)加工成千上萬(wàn)個(gè)人造復(fù)雜微結(jié)構(gòu)并按照一定有序結(jié)構(gòu)排布是制備超材料的關(guān)鍵所在。另外，超材料的特殊性質(zhì)在很大程度上取決于自身關(guān)鍵物理尺度，通常人造結(jié)構(gòu)的尺寸為所需響應(yīng)波長(zhǎng)的十分之一，否則這些人造結(jié)構(gòu)所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)，因此為應(yīng)對(duì)高頻電磁波，超材料的微結(jié)構(gòu)和排序需向數(shù)十納米級(jí)別的特征尺度發(fā)展。

現(xiàn)有超材料的加工方法僅能制備二維平板型超材料，通過(guò)在剛性PCB板或PS板上制作金屬微結(jié)構(gòu)完成，受加工工藝的制約，無(wú)法完成三維復(fù)雜構(gòu)型超材料的開(kāi)發(fā)，而且基板材料的可選擇范圍受到很大限制，例如FR‐4、F4b等材料。近年來(lái)，以材料累積成型為3D打印技術(shù)為超材料提供了全新的實(shí)現(xiàn)手段，其以數(shù)字化三維模型為基礎(chǔ)，通過(guò)逐層打印、分層疊加的方式構(gòu)造三維實(shí)體，突破了傳統(tǒng)加工技術(shù)在產(chǎn)品外形和制造上的限制，可以解決復(fù)雜形狀制品的成型問(wèn)題。該方法可方便地結(jié)合超材料結(jié)構(gòu)的有限元設(shè)計(jì)與分析，有利于發(fā)展出材料‐結(jié)構(gòu)‐性能一體化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)具體打印方式不同，3D打印技術(shù)可分為三維粉末粘結(jié)成型(3DP)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、熔融沉積成型(FDM)、立體光固化成型(SLA)等。目前，基于熔融沉積成型的3D打印技術(shù)由于其所使用的熱塑性材料的常溫下固體屬性，可以通過(guò)多個(gè)噴嘴和料盒方便地實(shí)現(xiàn)用不同材料的制備單個(gè)結(jié)構(gòu)，然而其只能使用同一類(lèi)型原材料，基底與微結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比不十分突出，而且打印精度往往也受到限制。另一方面，基于立體光固化成型的3D打印方法由于其需要在液體環(huán)境中工作，現(xiàn)有方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)超材料的制備。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)上述超材料制造技術(shù)的不足以及現(xiàn)有3D打印技術(shù)的各種局限，提供一種基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，通過(guò)全息光鑷實(shí)現(xiàn)光敏液體制造環(huán)境中微結(jié)構(gòu)的可控排列，從而形成既定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決基于立體光固化成型的3D打印技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)使用兩種不同材質(zhì)制備同一結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。本發(fā)明所提出的方法具有適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真數(shù)據(jù)得到的目標(biāo)超材料的幾何構(gòu)型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可直接生成打印文件和全息圖像文件，指導(dǎo)3D打印機(jī)和全息光鑷工作，整個(gè)制造過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；全息光鑷為液體環(huán)境中微結(jié)構(gòu)任意形式分布的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的手段。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于全息光鑷的超材料光固化3D打印方法，目標(biāo)超材料實(shí)體同時(shí)使用液態(tài)光敏樹(shù)脂和固體微粒作為打印原料進(jìn)行3D打印，其中液態(tài)光敏樹(shù)脂作為超材料基材的原材料，固體微粒作為人造微結(jié)構(gòu)，最終形成固態(tài)光敏樹(shù)脂為基材并包裹有序排列的人造微結(jié)構(gòu)的三維復(fù)雜曲面超材料；具體打印方法包括如下步驟：

(1)將所述液態(tài)光敏樹(shù)脂容置于具有透明槽底的儲(chǔ)液槽中；

(2)將所述作為人造微結(jié)構(gòu)的固體微粒分散于少量液態(tài)光敏樹(shù)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(shù)脂前進(jìn)行表面活性處理，使其易于在液態(tài)光敏樹(shù)脂中分散；

(3)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)超材料的三維模型

使用計(jì)算機(jī)的有限元程序數(shù)值計(jì)算電磁波、聲波在超材料中傳播的過(guò)程，從而得到滿足既定功能超材料的的幾何構(gòu)型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jìn)行前處理和分層處理后導(dǎo)入立體光固化成型的3D打印設(shè)備，設(shè)置支撐及工藝參數(shù)，最終生成打印文件；同時(shí)將三維模型分層處理后輸出生成包含人造微結(jié)構(gòu)空間排序信息的全息圖像文件，導(dǎo)入全息光鑷；

(5)全息光鑷在儲(chǔ)液槽中生成光勢(shì)阱