基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括：激光光源，傳輸控制單元，掃描聚焦單元，監(jiān)測裝置，液體池，承載基片，載物臺，移動臺和計算機(jī)。該方法包括以下步驟：利用計算機(jī)作圖軟件建立幾何模型，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、分層，規(guī)劃掃描路徑；將含有待打印納米顆粒的液體置入液體池內(nèi)；調(diào)節(jié)移動臺，將置于載物臺的承載基片上表面調(diào)節(jié)至接近液體池內(nèi)液體上表面的位置，并且處于聚焦后的激光焦平面上；利用激光光鑷作用使得溶液中的納米顆粒向激光焦點移動并在光熱作用下發(fā)生熔合，通過激光掃描形成單層結(jié)構(gòu)；將載物臺降低一個單層結(jié)構(gòu)的厚度，進(jìn)行另一層結(jié)構(gòu)的掃描，直至完成設(shè)計結(jié)構(gòu)的打?。蝗〕龃蛴〗Y(jié)構(gòu)，清理結(jié)構(gòu)表面的殘留納米顆粒。
【專利說明】基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及3D打印【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于納米顆粒的液相激光三維激光打印系統(tǒng)及方法

【背景技術(shù)】
[0002]朝向小型化、功能集成化發(fā)展是結(jié)構(gòu)與器件發(fā)展的一個重要趨勢。而結(jié)構(gòu)與器件尺度的減小和功能的集成化都依賴于加工分辨率和精度的提高。常規(guī)的減才制造技術(shù)對于一些小型結(jié)構(gòu)，特別是復(fù)雜的小型結(jié)構(gòu)制造困難。與之相比，激光三維打印技術(shù)是一種靈活、簡單、可設(shè)計的結(jié)構(gòu)增材制造方法，可以實現(xiàn)任意三維結(jié)構(gòu)的直接制造。選區(qū)激光燒結(jié)和選區(qū)激光熔化是目前發(fā)展的兩種高精度激光三維打印方法。然而，目前這兩種方法的加工分辨率僅能達(dá)到40 μ m左右(參見P.Regenfuss等，Rapid PrototypingJournal, 2007, 13，204-212)，而且加工結(jié)構(gòu)表面粗糙，內(nèi)部結(jié)合不夠緊密，難于滿足復(fù)雜小型三維結(jié)構(gòu)的制造需求。由于小尺度的粉末的粘附性增加、流動性差、鋪粉困難，這限制了更高分辨率、更高精度的激光三維打印技術(shù)的發(fā)展。因此，迫切需要發(fā)展新的激光三維打印技術(shù)實現(xiàn)更高分辨率、更高精度的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制造。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)高精度和高分辨率的三維打印。
[0004]本發(fā)明的目的之一在于提出一種基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)，且通過下述的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]該系統(tǒng)包括激光打印組件、液體池、承載移動組件以及監(jiān)測裝置，
[0006]所述激光打印組件包括激光光源、傳輸控制單元和掃描聚焦單元，且三者依次排布；
[0007]掃描聚焦單元后方的激光光路上設(shè)置有透光窗和二向色鏡，所述透光窗的下端位于液體池內(nèi)，用于密封液體池內(nèi)的液體并保證激光和監(jiān)測光的透過；所述二向色鏡位于透光窗上方，用于實現(xiàn)激光的全反射和監(jiān)測光的全透過；
[0008]所述承載移動組件包括承載基片、載物臺及移動臺，所述承載基片用于承載三維打印結(jié)構(gòu)，承載基片設(shè)置在載物臺上，且承載基片和載物臺均位于液體池內(nèi)；所述移動臺與載物臺連接，用于調(diào)節(jié)載物臺的位置。
[0009]進(jìn)一步的，還包括用于控制整個打印過程的計算機(jī)。
[0010]進(jìn)一步的，所述激光光源為系統(tǒng)提供連續(xù)激光和脈沖激光，且連續(xù)激光和脈沖激光的波長均為157nm-1600nm。
[0011]進(jìn)一步的，所述傳輸控制單元包括用于控制激光通斷的光閘，用于實現(xiàn)激光擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡，以及用于控制入射打印面的激光功率變化的衰減器。
[0012]進(jìn)一步的，所述掃描聚焦單元包括用于激光聚焦的激光聚焦鏡和用于實現(xiàn)激光掃描的掃描振鏡。
[0013]進(jìn)一步的，所述移動臺的移動精度為0.lnm-50ym，行程范圍為lnm-200mm。
[0014]進(jìn)一步的，所述的承載基片為玻璃基片，石英基片，ITO玻璃基片，F(xiàn)TO玻璃基片，陶瓷基片，氧化物基片，半導(dǎo)體基片，以及涂覆或淀積有不同薄膜的基片。
[0015]本發(fā)明的目的之二在于提出一種基于納米顆粒的液相激光三維打印方法，且通過下述的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0016]該方法包括以下步驟:
[0017]I)利用計算機(jī)作圖軟件建立待打印物體的幾何模型，并對該模型進(jìn)行切片、分層，規(guī)劃掃描路徑；
[0018]2)將含有納米顆粒的液體置入液體池內(nèi)；
[0019]3)調(diào)節(jié)移動臺，將置于載物臺的承載基片上表面調(diào)節(jié)至接近液體池內(nèi)液體上表面的位置，并且處于聚焦后的激光焦平面上；
[0020]4)利用激光光鑷作用使得溶液中的納米顆粒向激光焦點移動并在光熱作用下發(fā)生熔合，通過激光掃描形成單層結(jié)構(gòu)；
[0021]5)將載物臺降低一個單層結(jié)構(gòu)的厚度，進(jìn)行另一層結(jié)構(gòu)的掃描，直至完成設(shè)計結(jié)構(gòu)的打?。?br> [0022]6)取出打印結(jié)構(gòu)，清理結(jié)構(gòu)表面的殘留納米顆粒。
[0023]進(jìn)一步的,所述納米顆粒包括金屬納米顆粒、無機(jī)非金屬納米顆粒、聚合物納米顆粒及其復(fù)合物納米顆粒。
[0024]進(jìn)一步的,所述金屬納米顆粒包括金納米顆粒、銀納米顆粒、銅納米顆粒、鉬納米顆粒、IE納米顆粒、招納米顆粒、鐵納米顆粒。
[0025]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0026]1.本發(fā)明是基于納米顆粒的液相激光三維打印技術(shù)，能夠獲得高的打印分辨率和打印精度；
[0027]2.本發(fā)明的采用納米顆粒，由于納米顆粒熔點低，因此可以減小打印所用的激光功率，實現(xiàn)更高效率的打印。
[0028]本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中:
[0030]圖1為本發(fā)明基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)的示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明基于納米顆粒的液相激光三維打印方法的流程圖；
[0032]圖中:1_液體池；2_激光光源；3_傳輸控制單元；4_掃描聚焦單元；5_ 二向色鏡；6-透光窗；7_承載基片；8_載物臺；9_移動臺；10-監(jiān)測裝置。

【具體實施方式】
[0033]以下是本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0034]圖1為基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)的示意圖，如圖所示，該系統(tǒng)包括:用于承載含有納米顆粒的液體的液體池1，激光光源2，傳輸控制單元3，掃描聚焦單元4;二向色鏡5，透光窗6，承載基片7，載物臺8，移動臺9和監(jiān)測裝置10。激光光源、傳輸控制單元和聚掃描焦單元三者順次排布，實現(xiàn)激光的產(chǎn)生、傳輸控制和掃描聚焦；掃描聚焦單元后方的激光光路上設(shè)置有透光窗和二向色鏡，所述透光窗下端位于液體池內(nèi)，所述透光窗用于密封液體池內(nèi)的液體并保證激光和監(jiān)測光的透過；所述二向色鏡位于透光窗上方，用于實現(xiàn)激光的全反射和監(jiān)測光的全透過；所述承載基片用于承載三維打印結(jié)構(gòu)，承載基片設(shè)置在載物臺上，且承載基片和載物臺均位于液體池內(nèi)；所述移動臺與載物臺連接，用于調(diào)節(jié)載物臺的位置。
[0035]激光光源2用于產(chǎn)生波長范圍為157nm-1600nm的激光束，激光束分別為連續(xù)、脈沖或準(zhǔn)連續(xù)激光。傳輸控制單元3包括光閘，擴(kuò)束鏡，和衰減器；用于控制激光光源2輸出激光束的開啟和關(guān)閉，擴(kuò)束，入射打印面的激光功率變化。掃描聚焦單元4包括用于實現(xiàn)激光掃描的掃描振鏡和用于激光束聚焦的激光聚焦鏡。二向色鏡5用于實現(xiàn)激光束的全反射和監(jiān)測光的全透過。透光窗6用于密封液體并且保證激光束和監(jiān)測光的透過。承載基片7用于承載制作的結(jié)構(gòu)。載物臺8用于承載和固定承載基片7。移動臺9用于實現(xiàn)載物臺8的升降，移動臺的移動精度為0.lnm-50 μ m，行程范圍為lnm-200mm。監(jiān)測裝置10包括照明光路和監(jiān)測光路，用于實現(xiàn)打印過程中的實時監(jiān)測分析。
[0036]圖2示出了本發(fā)明的基于納米顆粒的液相激光三維打印方法的流程圖。
[0037]首先，利用計算機(jī)作圖軟件建立幾何模型，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、分層，規(guī)劃掃描路徑。
[0038]將含有待打印納米顆粒的液體置入液體池內(nèi)。
[0039]所述納米顆粒包括金屬納米顆粒、介質(zhì)納米顆粒及兩者的復(fù)合物。無機(jī)非金屬納米顆粒、聚合物納米顆粒及其復(fù)合物納米顆粒。所述的金屬納米顆粒進(jìn)一步包括金納米顆粒、銀納米顆粒、銅納米顆粒、鉬納米顆粒、IE納米顆粒、招納米顆粒、鐵納米顆粒。
[0040]調(diào)節(jié)移動臺，將置于載物臺的承載基片上表面調(diào)節(jié)至接近液體池內(nèi)液體上表面的位置，并且處于聚焦后的激光焦平面上。
[0041]所述的移動臺的移動精度為0.lnm-50 μ m,行程范圍為lnm-200mm。
[0042]所述的承載基片為玻璃基片，石英基片，ITO玻璃基片，F(xiàn)TO玻璃基片，陶瓷基片，氧化物基片，半導(dǎo)體基片，以及涂覆或淀積有不同薄膜的基片。
[0043]利用激光光鑷作用使得溶液中的納米顆粒向激光焦點移動并在光熱作用下發(fā)生熔合，通過激光掃描形成單層結(jié)構(gòu)。
[0044]將載物臺降低一個單層結(jié)構(gòu)的厚度，進(jìn)行另一層結(jié)構(gòu)的掃描，直至完成設(shè)計結(jié)構(gòu)的打印。
[0045]取出打印結(jié)構(gòu)，清理結(jié)構(gòu)表面的殘留納米顆粒。
[0046]實施例1
[0047]以下結(jié)合圖1和圖2，以金結(jié)構(gòu)的基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)及方法為例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。選用的金納米顆粒的粒徑為5nm。
[0048]首先，利用計算機(jī)作圖軟件建立幾何模型，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行切片、分層，規(guī)劃掃描路徑。
[0049]將含有待打印金納米顆粒的液體置入液體池I內(nèi)。
[0050]調(diào)節(jié)移動臺9，將置于載物臺8的承載基片7的上表面調(diào)節(jié)至接近液體池內(nèi)液體上表面的位置，并且處于聚焦后的激光焦平面上。
[0051]選用532nm的綠光激光作為激光光源2，激光功率為20_100mW。利用激光光鑷作用使得溶液中的金納米顆粒向激光焦點移動并在光熱作用下發(fā)生熔合，通過激光掃描形成單層結(jié)構(gòu)。
[0052]將載物臺8降低一個單層結(jié)構(gòu)的厚度，進(jìn)行另一層結(jié)構(gòu)的掃描，直至完成設(shè)計結(jié)構(gòu)的打印。
[0053]取出打印結(jié)構(gòu)，清理結(jié)構(gòu)表面的殘留納米顆粒。
[0054]最后說明的是，以上優(yōu)選實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)，包括激光打印組件、液體池、承載移動組件以及監(jiān)測裝置，其特征在于: 所述激光打印組件包括激光光源、傳輸控制單元和掃描聚焦單元，且三者依次排布； 掃描聚焦單兀后方的激光光路上設(shè)置有透光窗和二向色鏡,所述透光窗的下端位于液體池內(nèi)，用于密封液體池內(nèi)的液體并保證激光和監(jiān)測光的透過；所述二向色鏡位于透光窗上方，用于實現(xiàn)激光的全反射和監(jiān)測光的全透過； 所述承載移動組件包括承載基片、載物臺及移動臺，所述承載基片用于承載三維打印結(jié)構(gòu)，承載基片設(shè)置在載物臺上，且承載基片和載物臺均位于液體池內(nèi)；所述移動臺與載物臺連接，用于調(diào)節(jié)載物臺的位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)，其特征在于:還包括用于控制整個打印過程的計算機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)，其特征在于:所述激光光源為系統(tǒng)提供連續(xù)激光和脈沖激光，且連續(xù)激光和脈沖激光的波長均為157nm-1600nmo
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)，其特征在于:所述傳輸控制單元包括用于控制激光通斷的光閘，用于實現(xiàn)激光擴(kuò)束的擴(kuò)束鏡，以及用于控制入射打印面的激光功率變化的衰減器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描聚焦單元包括用于激光聚焦的激光聚焦鏡和用于實現(xiàn)激光掃描的掃描振鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印系統(tǒng)，其特征在于，所述移動臺的移動精度為0.lnm-50ym，行程范圍為lnm-200mm。
7.如權(quán)利要求1所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印方法，其特征在于，所述的承載基片為玻璃基片，石英基片，ITO玻璃基片，F(xiàn)TO玻璃基片，陶瓷基片，氧化物基片，半導(dǎo)體基片，以及涂覆或淀積有不同薄膜的基片。
8.一種基于納米顆粒的液相激光三維打印方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 1)利用計算機(jī)作圖軟件建立待打印物體的幾何模型，并對該模型進(jìn)行切片、分層，規(guī)劃掃描路徑； 2)將含有納米顆粒的液體置入液體池內(nèi)； 3)調(diào)節(jié)移動臺，將置于載物臺的承載基片上表面調(diào)節(jié)至接近液體池內(nèi)液體上表面的位置，并且處于聚焦后的激光焦平面上； 4)利用激光光鑷作用使得溶液中的納米顆粒向激光焦點移動并在光熱作用下發(fā)生熔合，通過激光掃描形成單層結(jié)構(gòu)； 5)將載物臺降低一個單層結(jié)構(gòu)的厚度，進(jìn)行另一層結(jié)構(gòu)的掃描，直至完成設(shè)計結(jié)構(gòu)的打??； 6)取出打印結(jié)構(gòu)，清理結(jié)構(gòu)表面的殘留納米顆粒。
9.如權(quán)利要求8所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印方法，其特征在于，所述納米顆粒包括金屬納米顆粒、無機(jī)非金屬納米顆粒、聚合物納米顆粒及其復(fù)合物納米顆粒。
10.如權(quán)利要求9所述的基于納米顆粒的液相激光三維打印方法，其特征在于，所述金屬納米顆粒包括金納米顆粒、銀納米顆粒、銅納米顆粒、鉬納米顆粒、IE納米顆粒、招納米顆粒、鐵納米顆粒。
【文檔編號】B29C67/00GK104175559SQ201410402880
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】段宣明, 曹洪忠, 徐佼, 曹良成, 劉基權(quán) 申請人:中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院