一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備,該設備選用液態(tài)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，根據(jù)計算機仿真數(shù)據(jù)得到的微結構空間排布生成目標聲場參數(shù)及其對應的相控陣超聲控制參數(shù)，同時根據(jù)所設計超材料的幾何構型可直接生成打印文件；生成的源數(shù)據(jù)分別傳送至基于相控陣的超聲俘獲系統(tǒng)和基于立體光固化成型的3D打印設備；基于相控陣的超聲俘獲系統(tǒng)在液態(tài)光敏樹脂中同時產(chǎn)生多個既定分布的聲壓節(jié)點，將人造微結構俘獲于各聲壓節(jié)點中，使其按照設計的拓撲結構有序排列；基于立體光固化成型的3D打印設備采用面光源，分不同層厚固化人造微結構下方液體基材、人造微結構同一平面周圍的液態(tài)基材及人造微結構上方液體基材。
【專利說明】
一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于超材料制造技術領域，具體涉及一種利用超聲輔助非接觸夾持技術制備具有二維拓撲結構超材料的光固化3D打印設備。
【背景技術】
[0002]超材料由于具有天然材料不具備的超常物理性質，從而擺脫了傳統(tǒng)材料諸多表觀自然規(guī)律的限制，極大拓展了電磁學、光學、聲學等學科的研究范疇，在航天、航空、電子、通信、生物醫(yī)學領域里展現(xiàn)了巨大的潛在價值和應用前景。超材料本質上為人工復合結構或復合材料，其通過在亞波長的材料特征尺度上進行有序結構設計，實現(xiàn)賦予的特定功能。超材料一般由有序排列的多個超材料單元組成，而每個超材料單元包括非金屬基板和附著在基板表面上或嵌入在基板內部的人造微結構，具有不同于基板本身的電、磁、力學特性。因此，整個超材料在宏觀上對電場、磁場及聲場呈現(xiàn)出特殊的響應特性。通過對人造微結構構型的設計，可以相應改變超材料的響應特性。因此，其內部的人造微結構空間排序的設計并按照這個有序結構排布實現(xiàn)整體的制備是關系到超材料研究發(fā)展及商業(yè)化應用推廣的關鍵所在?？紤]到超材料的特殊性質在很大程度上取決于自身關鍵物理尺度，通常人造結構的尺寸應為所需響應波長的十分之一，否則這些人造結構所組成的排列在空間中不能被視為連續(xù)，因此聲學超材料內部微結構和排序需向數(shù)十微米級別的特征尺度發(fā)展。
[0003]現(xiàn)有超材料的加工方法僅能制備二維平板型超材料，通過在剛性PCB板或PS板上制作金屬微結構完成，受加工工藝的制約，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，以材料累積成型為3D打印技術為超材料提供了全新的實現(xiàn)手段，其以數(shù)字化三維模型為基礎，通過逐層打印、分層疊加的方式構造三維實體，突破了傳統(tǒng)加工技術在產(chǎn)品外形和制造上的限制。根據(jù)具體打印方式不同，3D打印技術可分為三維粉末粘結成型(3DP)、選擇性激光燒結(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打印技術由于其所使用的熱塑性材料的常溫下固體屬性，可以通過多個噴嘴和料盒方便地實現(xiàn)用不同材料的制備復雜結構，然而其只能使用同一類型原材料進行打印，無法引入金屬、硅基材料的微結構，致使基底與微結構的性能對比不十分突出，限制了超材料的預期性能表現(xiàn)。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)有設備還無法在維持液體環(huán)境中人造微結構有序排列的同時，固化基底材料。
[0004]超聲波作為一種機械波，具有動量和角動量，通過對聲場中物體的散射效應，產(chǎn)生作用于其上的輻射力。微顆粒或者微構件在輻射力場的作用下，穩(wěn)定的俘獲在合成聲場中的聲勢阱即聲壓節(jié)點位置，近年來超聲波的這種力學特性在液體環(huán)境中微顆粒的俘獲、聚集及分揀方面已證實了較好的應用潛力。另外，相控陣超聲技術的突飛猛進為合成具有任意聲壓空間分布的聲場提供了便捷手段。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明針對上述超材料制造技術的不足以及現(xiàn)有3D打印設備的各種局限，提供一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，通過相控陣超聲陣列在液態(tài)光敏樹脂中營造空間可控聲場，實現(xiàn)光固化制造環(huán)境中規(guī)則排布微結構的非接觸夾持，從而形成既定拓撲結構，解決現(xiàn)有基于立體光固化成型的3D打印設備無法實現(xiàn)兩種不同材質制備同一結構的問題;本發(fā)明所提出的設備具有適應性強、操作方便等諸多優(yōu)點，可以根據(jù)計算機仿真數(shù)據(jù)得到的微結構空間排布生成目標聲場參數(shù)及其對應的相控陣超聲控制參數(shù)，實現(xiàn)光敏樹脂中既定拓撲結構的非接觸式穩(wěn)定加持;同時根據(jù)所設計超材料的幾何構型可直接生成打印文件，指導3D打印機;整個制造過程易于實現(xiàn)自動化，相控陣超聲陣列為液體環(huán)境中微結構任意形式分布的實現(xiàn)提供了強有力的手段。
[0006]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，同時使用液態(tài)光敏樹脂和固體微粒作為打印原料進行目標超材料實體進行3D打印，其中液態(tài)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(tài)光敏樹脂為基材并包裹具有二維空間拓撲排序人造微結構的超材料。
[0008]所述光固化打印設備包括帶有PXI總線的上位機、基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)和基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)。其中帶有PXI總線的上位機用于計算機輔助設計超材料的幾何構型和人造微結構的二維空間拓撲排序，從而自動化生成目標聲場參數(shù)及3D打印文件；同時為基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)及基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)提供總線接口，將生成的目標聲場參數(shù)通過PXI總線發(fā)送至基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)，并顯示當前3D打印進度。基于相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)用于在液態(tài)光敏樹脂中營造空間可控聲場，實現(xiàn)光固化制造環(huán)境中規(guī)則排布微結構的非接觸夾持，從而形成既定拓撲結構。所述和基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)用于固化包圍人造微結構周圍的液態(tài)光敏樹脂，形成目標超材料的基材。
[0009]所述基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)包括控制模塊、依次相連的多通道信號發(fā)生模塊、功率放大模塊、阻抗匹配模塊、換能器陣列及其換能器陣列支架。其中控制模塊通過PXI總線與上位機相連，根據(jù)由計算機仿真數(shù)據(jù)得到的與微結構空間直接相關的目標聲場參數(shù)，計算相控陣超聲各通道的幅值、相位等控制參數(shù)。多通道信號發(fā)生模塊根據(jù)控制模塊發(fā)送的控制參數(shù)，通過直接數(shù)字合成技術生成連續(xù)正弦信號。功率放大模塊將多通道信號發(fā)生模塊生成的連續(xù)正弦信號放大為峰值60V的驅動信號。阻抗匹配模塊根據(jù)接入的換能器陣列及電路的阻抗，自動選擇需要接入的匹配電阻和電感，保證換能器處于最佳工作狀態(tài)。所述換能器陣列為封閉環(huán)形，由64路厚度方向振動的壓電陶瓷換能器構成，單個換能器福射面為8mm X 16mm的矩形，中心頻率為IMhz，換能器間距為5mm;為了減小相向換能器引起的反射波，每個換能器都具有匹配層;各路驅動信號加載于各換能器單元，從而在液態(tài)光敏樹脂中同時產(chǎn)生多個既定分布的聲壓節(jié)點，人造微結構受到聲輻射力的作用穩(wěn)定地俘獲于各聲壓節(jié)點中，從而形成所設計的有序排列人造微結構。
[0010]所述基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)包括儲液槽、紫外光源、升降工作臺、基于PXI總線的運動控制模塊。其中儲液槽上部開口，用于放置液態(tài)可光聚合材料，同時換能器陣列通過換能器支架置于儲液槽內。紫外光源為LED面光源，強度大于6W/cm2，發(fā)出與液態(tài)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儲液槽;首先聚焦于升降工作臺的上表面，根據(jù)所設計的超材料幾何尺寸，固化人造微結構所在層下方液態(tài)光敏樹脂，分層數(shù)根據(jù)總體厚度選擇;然后降低工作臺，將紫外光源聚焦在俘獲有微結構的平面，固化包裹有序微結構的基材;最后繼續(xù)降低工作臺，將紫外光源聚焦在內嵌有微結構的基材層的上方，固化超材料其余基材。而升降工作臺位于儲液槽內，包括步進電機、升降導軌和底座，用于保證當前加工平面始終位于紫外光源焦距上?；赑XI總線的運動控制模塊通過PXI總線與上位機相連，根據(jù)3D打印文件生成的控制產(chǎn)生響應的脈沖信號驅動步進電機，實現(xiàn)升降工作臺的上下運動。
[0011]本裝置所適用的固體微粒為金屬微球、高分子微球或碳納米管，其特征尺寸介于20-100微米，具體尺寸根據(jù)所制備超材料目標功能而選取。
[0012]本發(fā)明和現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點:
[0013]1、本發(fā)明所述方法可以制備由不同材料基體與微結構組成的具有二維空間拓撲排序的超材料。
[0014]2、所述方法使用有限元計算得到的目標超材料的幾何構型和拓撲結構作為超材料設計和制造的源數(shù)據(jù)，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率。
[0015]3、所述方法可以實現(xiàn)具有任意微結構拓撲結構的超材料的制備，適應性強、操作方便、具有更尚的制造精度。
【附圖說明】
[0016]圖1為一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備的系統(tǒng)框圖。
[0017]圖2為基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)結構示意圖。
[0018]圖3為利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備的具體工作過程示意圖。
【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0020]本發(fā)明提出一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，同時使用液態(tài)光敏樹脂和固體微粒作為打印原料進行目標超材料實體進行3D打印，其中液態(tài)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(tài)光敏樹脂為基材并包裹具有二維空間拓撲排序人造微結構的超材料。液態(tài)光敏樹脂容置于具有透明槽底的儲液槽中，其固化對應波長為365?405nm，動力粘度在小于0.25Pa.s，過高的粘度將減弱超聲場在液態(tài)光敏樹脂產(chǎn)生的輻射力的俘獲能力。
[0021 ]作為人造微結構的固體微粒分散于少量液態(tài)光敏樹脂中并裝入移液管，固體微粒分散于液態(tài)光敏樹脂前進行表面活性處理，使其易于在液態(tài)光敏樹脂中分散，選用固體微粒的特征尺寸介于20-100微米，具體尺寸根據(jù)所制備超材料目標功能而選取，作為一種優(yōu)選方式，固體微粒為金屬微球、高分子微球、碳納米管等。固體顆粒在液態(tài)光敏樹脂中的體積分數(shù)不超過I %。
[0022]如圖1所示，一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，包括帶有PXI總線的上位機1、基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)2和基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)3。其中帶有PXI總線的上位機I用于計算機輔助設計超材料的幾何構型和人造微結構的二維空間拓撲排序，從而自動化生成目標聲場參數(shù)及3D打印文件；同時為基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)2及基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)3提供總線接口，將生成的目標聲場參數(shù)通過PXI總線發(fā)送至基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)2，并顯示當前3D打印進度。而基于相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)2用于在液態(tài)光敏樹脂中營造空間可控聲場，實現(xiàn)光固化制造環(huán)境中規(guī)則排布微結構的非接觸夾持，從而形成既定拓撲結構。基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)3用于固化包圍人造微結構周圍的液態(tài)光敏樹脂，形成目標超材料的基材。
[0023]基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)2包括控制模塊201、依次相連的多通道信號發(fā)生模塊202、功率放大模塊203、阻抗匹配模塊204、換能器陣列205及其換能器陣列支架206。其中控制模塊201通過PXI總線與帶有PXI總線的上位機I相連，根據(jù)由計算機仿真數(shù)據(jù)得到的與微結構空間直接相關的目標聲場參數(shù)，計算相控陣超聲各通道的幅值、相位等控制參數(shù)。多通道信號發(fā)生模塊202根據(jù)控制模塊發(fā)送的控制參數(shù)，通過直接數(shù)字合成技術生成連續(xù)正弦信號。功率放大模塊203將多通道信號發(fā)生模塊生成的連續(xù)正弦信號放大為峰值60V的驅動信號。而阻抗匹配模塊204根據(jù)接入的換能器陣列及電路的阻抗，自動選擇需要接入的匹配電阻和電感，保證換能器處于最佳工作狀態(tài)。
[0024]換能器陣列205為封閉環(huán)形，由64路厚度方向振動的壓電陶瓷換能器構成，單個換能器福射面為8mmX 16mm的矩形，中心頻率為IMhz，換能器間距為5mm；為了減小相向換能器引起的反射波，每個換能器都具有匹配層;各路驅動信號加載于各換能器單元，從而在液態(tài)光敏樹脂中同時產(chǎn)生多個既定分布的聲壓節(jié)點，人造微結構受到聲輻射力的作用穩(wěn)定地俘獲于各聲壓節(jié)點中，從而形成所設計的有序排列人造微結構。
[0025]如圖2所示，基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)包括儲液槽301、紫外光源302、升降工作臺303、基于PXI總線的運動控制模塊304;所述儲液槽上部開口 301，用于放置液態(tài)可光聚合材料，同時換能器陣列205通過環(huán)形換能器支架206置于儲液槽內。升降工作臺303位于儲液槽301內，包括步進電機305、升降導軌306和圓形底座307，用于保證當前加工平面始終位于紫外光源焦距上。環(huán)形換能器支架206通過固定于儲液槽底部的支撐柱實現(xiàn)與圓形底座307同心布置，兩者間隙為5mm。而基于PXI總線的運動控制模塊304通過PXI總線與上位機I相連，根據(jù)3D打印文件生成的控制產(chǎn)生響應的脈沖信號驅動步進電機305，實現(xiàn)升降工作臺303的上下運動。紫外光源302為LED面光源，強度大于6W/cm2，發(fā)出與液態(tài)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儲液槽301。
[0026]如圖3所示，本發(fā)明提出的利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備的工作流程，紫外光源301首先聚焦于升降工作臺303的上表面，根據(jù)所設計的超材料幾何尺寸，固化人造微結構所在層下方液態(tài)光敏樹脂，分層數(shù)根據(jù)總體厚度選擇。然后降低工作臺303，將將移液管中的光敏樹脂與人造微結構的混合物加入儲液槽中合成聲場的大致位置，保持一段時間后人造微結構穩(wěn)定的俘獲于聲場中的節(jié)點位置，形成預期的二維空間拓撲排序，然后將紫外光源聚焦在俘獲有微結構的平面，固化包裹有序微結構的基材;最后繼續(xù)降低工作臺303，將紫外光源聚焦在內嵌有微結構的基材層的上方，固化超材料的其余基材。
【主權項】
1.一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，其特征在于:同時使用液態(tài)光敏樹脂和固體微粒作為打印原料進行目標超材料實體進行3D打印，其中液態(tài)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(tài)光敏樹脂為基材并包裹具有二維空間拓撲排序人造微結構的超材料； 所述光固化打印設備包括帶有PXI總線的上位機(I)、基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)(2)和基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)(3); 所述帶有PXI總線的上位機(I)用于計算機輔助設計超材料的幾何構型和人造微結構的二維空間拓撲排序，從而自動化生成目標聲場參數(shù)及3D打印文件；同時為基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)(2)及基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)(3)提供總線接口，將生成的目標聲場參數(shù)通過PXI總線發(fā)送至基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)(2)，并顯示當前3D打印進度； 所述基于相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)(2)用于在液態(tài)光敏樹脂中營造空間可控聲場，實現(xiàn)光固化制造環(huán)境中規(guī)則排布微結構的非接觸夾持，從而形成既定拓撲結構； 所述和基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)(3)用于固化包圍人造微結構周圍的液態(tài)光敏樹脂，形成目標超材料的基材。2.根據(jù)權利要求1所述的一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，其特征在于:所述基于PXI總線的相控陣的超聲俘獲子系統(tǒng)(2)包括依次相連的控制模塊(201)、多通道信號發(fā)生模塊(202)、功率放大模塊(203)、阻抗匹配模塊(204)、換能器陣列(205)及換能器陣列支架(206); 所述控制模塊(201)通過PXI總線與帶有PXI總線的上位機(I)相連，根據(jù)由計算機仿真數(shù)據(jù)得到的與微結構空間直接相關的目標聲場參數(shù)，計算相控陣超聲各通道的幅值、相位控制參數(shù)； 所述多通道信號發(fā)生模塊(202)根據(jù)控制模塊(201)發(fā)送的控制參數(shù)，通過直接數(shù)字合成技術生成連續(xù)正弦信號； 所述功率放大模塊(203)將多通道信號發(fā)生模塊(202)生成的連續(xù)正弦信號放大為峰值為60V的驅動信號； 所述阻抗匹配模塊(204)根據(jù)接入的換能器陣列及電路的阻抗，自動選擇需要接入的匹配電阻和電感，保證換能器處于最佳工作狀態(tài)； 所述換能器陣列(205)為封閉環(huán)形，由64路厚度方向振動的壓電陶瓷換能器構成，單個換能器福射面為8mmX 16mm的矩形，中心頻率為IMhz，換能器間距為5mm;為了減小相向換能器引起的反射波，每個換能器都具有匹配層;各路驅動信號加載于各換能器單元，從而在液態(tài)光敏樹脂中同時產(chǎn)生多個既定分布的聲壓節(jié)點，人造微結構受到聲輻射力的作用穩(wěn)定地俘獲于各聲壓節(jié)點中，從而形成所設計的有序排列人造微結構。3.根據(jù)權利要求1所述的一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，其特征在于:所述基于立體光固化成型的3D打印子系統(tǒng)(3)包括儲液槽(301)、紫外光源(302)、升降工作臺(303)、基于PXI總線的運動控制模塊(304); 所述儲液槽(301)上部開口，用于放置液態(tài)可光聚合材料，同時換能器陣列(205)通過換能器支架(206)置于儲液槽(301)內； 所述紫外光源(302)為LED面光源，強度大于6W/cm2，發(fā)出與液態(tài)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儲液槽;首先聚焦于升降工作臺的上表面，根據(jù)所設計的超材料幾何尺寸，固化人造微結構所在層下方液態(tài)光敏樹脂，分層數(shù)根據(jù)總體厚度選擇;然后降低工作臺，將紫外光源聚焦在俘獲有微結構的平面，固化包裹有序微結構的基材;最后繼續(xù)降低工作臺，將紫外光源聚焦在內嵌有微結構的基材層的上方，固化超材料其余基材； 所述升降工作臺(303)位于儲液槽內(301)，包括步進電機(305)、步進電機(305)控制的升降導軌(306)和底座(307)，用于保證當前加工平面始終位于紫外光源(302)焦距上； 所述基于PXI總線的運動控制模塊(304)通過PXI總線與帶有PXI總線的上位機(I)連接，根據(jù)3D打印文件生成的控制產(chǎn)生響應的脈沖信號驅動步進電機(305)，實現(xiàn)升降工作臺(303)的上下運動。4.根據(jù)權利要求1所述一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，其特征在于:所述的固體微粒為金屬微球、高分子微球或碳納米管，其特征尺寸介于20-100微米，具體尺寸根據(jù)所制備超材料目標功能而選取。5.根據(jù)權利要求1所述一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，其特征在于:所述液態(tài)光敏樹脂的固化對應波長為365?405nm，動力粘度在小于0.25Pa.S。6.根據(jù)權利要求1所述一種利用超聲輔助觸夾持的超材料光固化打印設備，其特征在于:所述固體微粒分散于液態(tài)光敏樹脂前進行表面活性處理。
【文檔編號】B29C67/00GK106079439SQ201610416137
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月14日 公開號201610416137.4, CN 106079439 A, CN 106079439A, CN 201610416137, CN-A-106079439, CN106079439 A, CN106079439A, CN201610416137, CN201610416137.4
【發(fā)明人】賈坤, 羅亞軍
【申請人】西安交通大學