CN104401002A - 一种基于3d打印的曲面微透镜阵列制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，采用3D打印设备沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向依序打印构成曲面微透镜阵列的各弧形截面层，层叠形成立着的曲面微透镜阵列，具体包括以下步骤：1、建立曲面微透镜阵列的三维数字模型，并沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向离散成一系列有序的弧形截面层，然后生成3D打印设备的数控指令；2、利用3D打印设备依序打印所述各弧形截面层，层层堆叠，并对打印材料进行3D成型，形成立着的曲面微透镜阵列；3、将曲面微透镜阵列放置于一与其曲面曲率相同的弯曲基板上进行后续热处理，并对曲面微透镜阵列进行抛光处理形成光滑的微透镜表面。该方法制作工艺简单，精度高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及微透镜阵列制造技术领域，尤其涉及一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法。
背景技术
微透镜阵列指由一系列直径在几微米到几毫米之间的微型透镜按一定的方式排列而成的阵列，可以实现光束的聚焦、发射、偏折、分割、复合、开关、耦合、接收等功能，是微光学系统的重要器件之一，被广泛应用于裸眼立体显示、光束整形、光纤耦合等领域。尤其在人工复眼和集成成像3D显示中，曲面微透镜阵列可提高观看视场角。目前，微透镜阵列的制作方法主要有：（1）通过机械方法制备出金属模具，再采用倒模的方法制备出微透镜阵列。（2）采用光刻胶热熔技术制备基于光刻胶材料的微透镜阵列。（3）采用干法和湿法刻蚀的方法。上述方法在制备平面微透镜阵列时各有优势，但在制备曲面微透镜阵列时，工艺过程复杂，成本高，且存在工艺技术上如何形成曲面的难点，微透镜阵列参数难以控制。3D打印，也称叠层制造，是一种通过将一个虚拟3D模型经过分层后，对材料进行逐次叠加形成实体的技术，无需机械加工或任何模具，可成倍降低新产品研发成本，是近年来逐渐成熟和兴起的一种制造技术，并已发展成具有挑战大规模生产方式的能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，该方法制作工艺简单，精度高，成本低。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，采用3D打印设备沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向依序打印构成曲面微透镜阵列的各弧形截面层，层叠形成立着的曲面微透镜阵列。
进一步的，所述一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，包括以下步骤：
步骤S1：建立曲面微透镜阵列的三维数字模型，并沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向离散成一系列有序的弧形截面层，然后根据打印工序，生成3D打印设备的数控指令；
步骤S2：利用3D打印设备依序打印所述各弧形截面层，层层堆叠，并对打印材料进行3D成型，最终形成立着的曲面微透镜阵列；
步骤S3：将打印成型的曲面微透镜阵列放置于一与曲面微透镜阵列的曲面曲率相同的弯曲基板上进行后续热处理，并对曲面微透镜阵列进行抛光处理形成光滑的微透镜表面。
进一步的，采用多喷头3D打印设备同时制造多个曲面微透镜阵列，以提高效率。
进一步的，所述曲面微透镜阵列中，微透镜形状包括圆形、多边形和不规则形状。
进一步的，打印所述曲面微透镜阵列的材料包括透明有机聚合物、透明无机材料。
进一步的，采用非透明材料打印所述曲面微透镜阵列，并以非透明材料打印的所述曲面微透镜阵列作为模具，通过转移，制备其他材料的曲面微透镜阵列。
进一步的，所述3D成型的方式包括光敏材料的立体光固成型、选择性激光烧结、熔融挤出成型、三维喷绘打印。
本发明的有益效果是克服了现有曲面微透镜阵列制备方法存在的制作工艺难度大，成本高的问题，提供一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，对任何曲率的曲面微透镜阵列制作无需开模，通过生成三维数字模型后直接打印，不仅简化了制作工艺，而且提供了制作精度，降低了生产成本，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明曲面微透镜阵列制作方法的实现流程图。
图2是本发明实施例中曲面微透镜阵列的打印过程示意图。
图3是本发明实施例中曲面微透镜阵列的弧形截面层片的结构示意图。
图中，01-曲面微透镜阵列的弧形面；02-曲面微透镜阵列中的微透镜；03-3D打印机喷头；04-3D打印机样品台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。
本发明基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，采用3D打印设备沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向依序打印构成曲面微透镜阵列的各弧形截面层，即对曲面微透镜阵列进行竖着打印，层叠形成立着的曲面微透镜阵列，具体制作过程如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1：建立曲面微透镜阵列的三维数字模型，并沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向离散成一系列有序的弧形截面层，然后根据打印工序，生成3D打印设备的数控指令。设计生成所述曲面微透镜阵列的三维数字模型方法包括计算机三维建模、立体扫描、立体摄像。
步骤S2：利用3D打印设备依序打印所述各弧形截面层，层层堆叠，并对打印材料进行3D成型，最终形成立着的曲面微透镜阵列。
步骤S3：将打印成型的曲面微透镜阵列放置于一与曲面微透镜阵列的曲面曲率相同的弯曲基板上进行后续热处理，并对曲面微透镜阵列进行抛光处理形成光滑的微透镜表面。
所述曲面微透镜阵列中，微透镜形状包括圆形、多边形和不规则形状，微透镜分布可根据需要在三维数字模型设计时任意调整。
打印所述曲面微透镜阵列的材料包括透明有机聚合物、透明无机材料。也可以采用非透明材料打印所述曲面微透镜阵列，并以非透明材料打印的所述曲面微透镜阵列作为模具，通过转移，制备其他材料的曲面微透镜阵列。
所述3D成型的方式包括光敏材料的立体光固成型、选择性激光烧结、熔融挤出成型、三维喷绘打印。下面以立体光固成型为例，说明利用立体光固成型实现本发明基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其具体方案包括以下步骤：
（一）设计生成曲面微透镜阵列的三维数字模型
1、CAD模型的建立
工件的三维模型，可采用三维CAD软件（如AUTO CAD、UG、Pro/Engineer、SolidWorks）建立，也可采用CT（Computer Tomography）、MRI（Magnetic Resonance Imaging）等方式对工件样品进行扫描，然后转换为三维模型。优选的，本实施例采用AUTO CAD软件进行三维模型的建立。
2、CAD模型的近似处理
工件成形前，采用STL格式化处理方式，对CAD模型进行近似处理，消除一些不规则的自由曲面。具体操作为：构造一系列小三角形来逼近自由曲面，其中三角形的大小，有工件所要求的精度来确定，精度要求越高，三角形越小。所构造的三角形中，每一个小三角形平面必须与相邻的各个小三角形平面共两个顶点，且保证在三维模型的所有表面上，必须布满小三角形平面，不得有任何遗漏。最后，将三维模型转化为三维打印机能接受和操作的STL格式。
3、CAD模型的分层切片
利用三维打印机将工件的STL格式三维模型转化为一系列二维截面图形，即对CAD模型进行分层切片，相邻切片层之间的垂直距离为成形层高，层高越小，成形工件的精度和表面品质越好，但成形时间越长。根据3D打印机的精度和打印时间，优选的，本实施例取层高为0.1mm。如图2所示，将三维数字模型沿Z方向离散成一系列有序的二维弧形截面层片，弧形截面层片结构如图3所示，每层二维弧形截面层片厚度为100微米。根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成3D打印设备的数控指令。
（二）利用3D打印设备对曲面微透镜阵列进行打印
本实施例采用上海联泰科技有限公司的RS系列激光快速成型设备对曲面微透镜阵列进行打印，曲面微透镜阵列材料为WBSLA2820透明光敏树脂，并设置打印温度为260℃，扫描速度为5m/s。成形机制造一系列层片并自动将它们堆积起来，得到曲面微透镜阵列三维物理实体。
（三）曲面微透镜阵列三维物理实体进行后续热处理及抛光
为获得表面更加光滑的透镜表面，将制得的曲面微透镜阵列放置于一与曲面曲率相同的弯曲基板，并放置于200℃的烘箱中进行烘烤2小时，取出放置于室温中自然冷却后，采用化学抛光的方法对曲面微透镜阵列的表面进一步处理后，最终形成表面光滑曲面微透镜阵列。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，采用3D打印设备沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向依序打印构成曲面微透镜阵列的各弧形截面层，层叠形成立着的曲面微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：建立曲面微透镜阵列的三维数字模型，并沿曲面微透镜阵列的曲面的直导线方向离散成一系列有序的弧形截面层，然后根据打印工序，生成3D打印设备的数控指令；
步骤S2：利用3D打印设备依序打印所述各弧形截面层，层层堆叠，并对打印材料进行3D成型，最终形成立着的曲面微透镜阵列；
步骤S3：将打印成型的曲面微透镜阵列放置于一与曲面微透镜阵列的曲面曲率相同的弯曲基板上进行后续热处理，并对曲面微透镜阵列进行抛光处理形成光滑的微透镜表面。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，采用多喷头3D打印设备同时制造多个曲面微透镜阵列，以提高效率。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，所述曲面微透镜阵列中，微透镜形状包括圆形、多边形和不规则形状。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，打印所述曲面微透镜阵列的材料包括透明有机聚合物、透明无机材料。
6.根据权利要求1和2所述的一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，采用非透明材料打印所述曲面微透镜阵列，并以非透明材料打印的所述曲面微透镜阵列作为模具，通过转移，制备其他材料的曲面微透镜阵列。
7.根据权利要求1和2所述的一种基于3D打印的曲面微透镜阵列制作方法，其特征在于，所述3D成型的方式包括光敏材料的立体光固成型、选择性激光烧结、熔融挤出成型、三维喷绘打印。
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