CN103692654A - 立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，属于微细加工、微波技术领域。解决了现有制作超材料的方法中精度差、耗时长的技术问题。本发明的方法是利用三维建模软件分别建立超材料中金属材料结构的三维CAD模型和树脂材料结构的三维CAD模型，再将三维CAD模型转换成STL格式文件，输入双材料立体打印机，采用不同材料同时打印超材料的金属材料结构和树脂材料结构，得到三维周期结构超材料。本发明的方法可以制作任意三维周期单元任意面型的超材料，制作精度高、速度快、工艺简单。

Description

立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法
技术领域
本发明涉及一种立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，属于微细加工、微波技术领域。
背景技术
超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料的内部具有亚波长尺寸的微结构，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，如负介电常数、负磁导率和负折射率等。
超材料为三维交叉结构，结构内部又存在不同介质或金属的嵌入等情况，在制作中存在难以组合、嵌入、曲面化的技术问题。现有技术中，超材料的制作主要采用分层加工后，用树脂粘合剂等材料将超材料单元组合，整个过程中存在很多手工操作环节，难以保证制作精度，而且耗时长，不适于批量生产。
立体打印技术是计算机辅助设计与制造、计算机数字控制、激光、材料以及精密伺服等多项技术的发展和综合。立体打印技术属于离散堆积成形，即将计算机上的三维零件模型进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息生成加工路径，成型头在控制系统的控制下，按加工路径成形各个截面，并逐步顺序叠加成三维零件。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中超材料的制备精度差、耗时长的技术问题，提供一种立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法。
本发明的立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件分别建立超材料中金属材料结构的三维CAD模型和树脂材料结构的三维CAD模型；
步骤二、将上述金属材料结构的三维CAD模型和树脂材料结构的三维CAD模型离散化，即转换成STL格式文件；
步骤三、将金属材料结构的STL文件和树脂材料结构的STL文件输入到双材料立体打印机，金属材料结构采用金属粉末为原料，树脂材料结构采用树脂材料为原料，同时打印金属材料结构和树脂材料结构，得到三维周期结构超材料。
进一步的，所述金属材料结构的金属谐振单元小于工作波长的1‰。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用立体打印技术制作三维周期结构超材料，可以制作任意三维周期单元任意面型（平面，曲面，不可展开曲面）的超材料，避免了现有超材料制作中工艺出现的难以组合、嵌入、曲面化等难题；
(2)本发明采用立体打印技术制作三维周期结构超材料充分利用立体打印技术的高精度与高度柔性，将数字化贯穿整个三维周期结构超材料的成型过程，大大提高制作精度、速度并简化工艺流程；
(3)本发明采用立体打印技术制作三维周期结构超材料可以在打印制作三维周期结构超材料承载基底的同时，打印制作超材料的金属谐振单元，做到二者的精密融合，提高超材料的精度，提升性能。
附图说明
图1为本发明立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法的工作原理图；
图2为本发明实施方式制作的超材料的三维周期结构超材料周期单元，a为顺时针开口谐振环单元，b为十字形金属条单元。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，主要包括以下步骤：
步骤一、三维周期结构超材料仿真设计
在制作三维周期结构超材料前，会根据需要制作的超材料的性能，比如具有吸波特性的超材料，可以改变电磁波辐射方向的超材料等，在专业电磁仿真软件内建立三维周期结构超材料的模型，三维周期结构超材料仿真设计完成后，得到欲制作的超材料模型；
本发明的制作技术，能够实现平面、曲面和不可展开曲面等各种平面的三维超材料的快速加工成型，三维超材料的阵子单元也可以为任何结构，如环形谐振单元，H形谐振单元等；本实施方式采用顺时针开口谐振环组合与十字形金属条为周期单元的三维结构超材料，顺时针开口谐振环组合单元和十字形金属条单元的结构分别如图2中a和b所示；
步骤二、CAD建模
仿真设计的超材料通常由承载基底和金属周期单元组成，承载基底采用树脂材料制作，金属周期单元采用金属制作；在三维建模软件里将超材料结构中采用树脂材料的结构和采用金属周期单元的结构分离开，分别建立超材料中采用金属材料的结构的三维CAD模型和采用树脂材料的结构的三维CAD模型；
步骤三、CAD模型数字化
将上述两个三维CAD模型进行STL格式化处理，转化成STL文件，实现CAD模型的分层切片处理，获得模型的每个二维层片信息；
STL是为三维制造系统开发出的文件格式，它的描述方式就是将制件的三维模型的自由曲面用一系列的小三角形平面来逼近，根据曲面近似的程度不同，选择不同的三角形网格划分，每个三角形面片由四个数据项表示，即三角形三个顶点坐标(x，y，z)和一个三角形面片外法线矢量(n)，显然，精度要求越高，网格划分的三角形应该越多、越逼近实物，计算机处理的时间越长；
步骤四、立体打印快速成型
根据要制作的三维周期超材料结构及组成特性，选择双材料立体打印机及成型材料，再将STL文件输入立体打印机，将数字模型打印出来，本实施方式采用金属粉末和液体光敏树脂为原料，金属粉末用于打印超材料中的金属结构，液体光敏树脂用于打印超材料中的树脂结构，打印完成后，得到三维周期结构超材料。
立体打印基于分层制造原理，根据切片处理得到的二维层片信息，控制成型机逐层加工并叠加这些层片，最后获得三维实体原型。图1为以立体打印技术制作三维周期结构超材料的成型原理。立体打印机以液态光敏树脂及金属粉末为原料，主液槽中盛满液态光敏树脂，金属粉末装在探头中，在计算机控制下的特定波长的激光或紫外光沿分层截面逐点扫描，聚焦光斑扫描处的液态树脂吸收能量，发生光聚合反应而固化，从而形成制件的一层超材料截面的树脂结构，一层固化完毕后，计算机控制装有金属粉末的探头制作超材料的金属结构，即金属谐振单元的横截面用金属粉末填充固化，实现制件的一层超材料截面的制作；然后工作台下降一层高度，以使先固化好的树脂表面覆盖一新的树脂薄层，然后刮板将粘度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上。如此依次逐层堆积，最后形成三维周期结构超材料。
本实施方式中，金属谐振单元小于工作波长的1‰，金属粉末为铜合金、钢、镍、钛合金等的粉末，树脂材料为液态光敏树脂、PP塑料等可用于立体打印的粉末、液体材料。

Claims (2)

1.立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用三维建模软件分别建立超材料中金属材料结构的三维CAD模型和树脂材料结构的三维CAD模型；
步骤二、将上述金属材料结构的三维CAD模型和树脂材料结构的三维CAD模型离散化，即转换成STL格式文件；
步骤三、将金属材料结构的STL文件和树脂材料结构的STL文件输入到双材料立体打印机，金属材料结构采用金属粉末为原料，树脂材料结构采用树脂材料为原料，同时打印金属材料结构和树脂材料结构，得到三维周期结构超材料。
2.根据权利要求1所述的立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，其特征在于，所述金属材料结构的金属谐振单元小于工作波长的1‰。
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