CN104999670A - 一种多光束激光干涉跨尺度3d打印系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用多光束激光干涉技术产生的微纳复合周期性结构干涉光源获得跨尺度3D打印的方法和系统。其属于对现有3D打印方法的改进，包括：图像采集数据处理模块(1)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系统(4)、三维打印平台(5)、打印材料(6)和CCD显微成像系统(7)。本发明提高了原有3D打印速度及分辨率，同时实现了被打印物体的微纳复合结构材料直接成型，为快速、大面积、高效的微纳复合结构的3D打印技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用多光束激光干涉技术产生的微纳复合周期性结构干涉光源获得跨尺度3D打印的方法和系统。属于对现有3D打印方法的改进。
背景技术
三维打印(Three Dimension Printing，简称3DP)是一种快速成型技术，是指增材制造，首先计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据后，通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成三维实体物件的过程。3D打印具有成本低、工作过程无污染、成型速度快等优点。该技术对航空航天、汽车、医疗和消费电子产品等核心产业的革新有巨大推动作用。从世界范围来看，经过多年的发展，3D打印已经形成比较完善的技术体系，应用范围不断拓展，产业链初步形成，市场规模实现快速增长。
近几年，随着3D打印的关键技术专利陆续到期，如下：
专利名称：快速和精确制造光固化零部件(Rapid and Accurate Production ofStereolithographic Parts)美国专利号5610824，专利权人：3D Systems公司；
专利名称：用于除去熔融沉积成型的支撑的工艺(Process of Support Removal forFused Deposition Modeling)美国专利号5503785，专利权人：Stratasys公司；
专利名称：增材制造的装置和方法(Additive Fabrication Apparatus and Method)美国专利号5529471，专利权人：南加州大学；
专利名称：通过光固化制造三维物体的方法(Method for Production ofThree-Dimensional Objects by Stereolithography)美国专利号5762856，专利权人：3DSystems公司。
3D打印的成本出现下降，促使低价3D打印机市场快速扩张，它的工业用途也将持续扩张。特别是在工业、生物医学和消费应用中将尤其突出。在医疗领域，3D打印充分适应了个人定制的特殊要求。2015年我国发布的《中国制造2025》围绕重点行业转型升级和新一代信息技术、智能制造、增材制造、新材料、生物医药等领域创新发展的重大共性需求开展关键性技术的研发。更进一步提出了对3D打印技术创新及产业化的需求。
随着微米技术和纳米技术的成熟化、多样化和工业化，微纳复合技术和微纳复合材料应运而生。材料表面的微纳复合结构能使材料产生一些独特的性能，如超疏水、超光学吸收、超粘附等，在人们的日常生活、工农业生产和国防建设等方面都有着广阔的应用前景。因此简单、实用、高效制备微纳复合结构材料的方法，不论在科学研究领域还是在实际生产应用领域都有着非常重要的意义。
传统激光3D打印技术应用单光束激光聚焦为光源，打印的速度和分辨率都受制于聚焦光斑的尺寸。
本发明提出的多光束激光干涉纳米制造技术是利用两束或两束以上光束相干叠加，产生强度周期性调制的光强能量分布，当这种周期调制的光强能量分布与材料相互作用时，可在材料表面制造出二维或三维周期性纳米结构，即微纳复合结构图案。如专利201110145715.2《一种仿真飞蛾复眼光学减反射结构图案的方法和系统》，就是利用多光束激光干涉技术实现的。生成图案的特征尺寸、形状和周期从纳米到微米连续可调，并且可在曲面上完成，但此专利只在材料表面应用，无法实现微纳复合结构材料的3D打印。而本发明采用分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来生成微纳复合结构三维实体。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种利用多光束激光干涉技术产生的微纳复合周期性结构干涉光源获得跨尺度3D打印系统及方法，提高了原有3D打印速度及分辨率，同时实现了被打印物体的微纳复合结构材料直接成型，为快速、大面积、高效的微纳复合结构的3D打印技术。
本发明技术解决方案：一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，包括：图像采集数据处理模块(1)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系统(4)、三维打印平台(5)、打印材料(6)和CCD显微成像系统(7)；打印材料(6)置于三维打印平台(5)上；首先图像采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；根据打印纳米图案尺寸要求，PC控制中心(2)模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光，并设定各路相干光束的入射角和空间角，各路相干光的偏振状态一致，通过参数设定使多束相干光组合，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉结构图案信息并反馈给PC控制中心(2)，PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，使CCD显微成像系统(7)检测干涉图案分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，参数设定完成；PC控制中心(2)精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，相干光按照被打印物体3D物理模型截面轮廓逐点扫描，与被打印材料(6)作用使作用处材料成型，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，设置打印平台(5)升起或下降一层薄片的距离后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。
所述多束相干光束数量为2-6束，设定各路相干光束入射角为0°-90°，空间角0°－360°。
所述多束相干光在干涉场内产生强弱调制的光强度分布，用调制后重新分布的光强分布作为3D打印光源，在CCD显微成像系统(7)或打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案。
所述PC控制中心(2)设置分光系统(4)参数时，使得干涉光场强度分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，图案周期50-5000nm可调，线栅、点阵、多图形组合等微纳复合结构图案可选，图形占空比1：1-1：10可选。
所述PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，由CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉图案信息并反馈给PC控制中心(2)，与模拟图案进行比对，调整分光系统参数，减小误差，实现CCD显微成像系统检测干涉图案与打印图案一致。
所述周期性微纳复合结构的相干光与被打印材料(6)作用，经过物理或化学变化使作用处材料直接成型为微纳复合结构。
所述PC控制中心(2)根据设置精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，扫描速度(1-10mm/s)，通过打印物体3D物理模型截面轮廓确定范围，逐点填充扫描，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，升起或下降一层薄片的距离(100nm-2um)后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。
多光束激光干涉跨尺度3D打印方法，实现步骤如下：
A.采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；
B.PC控制中心(2)根据打印纳米图案尺寸要求模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光，使得干涉光场强度分布周期达到打印纳米图案尺寸要求；
C.相干光在干涉场内产生强弱调制的光强度分布，用调制后重新分布的光强分布作为3D打印光源，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；
D.CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉图案信息并反馈给PC控制中心(2)，与模拟图案进行比对，通过PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，减小误差，实现CCD显微成像系统检测干涉图案与打印图案一致；
E.相干光与被打印材料(6)作用，经过物理或化学变化使作用处材料直接成型为微纳复合结构；
F.通过PC控制中心(2)精确控制三维打印平台的位移，相干光有步骤分层扫描被打印材料(6)，叠加成型的方式逐层增加材料实现微纳复合结构的3D打印。
本发明与现有3D打印方法和系统相比有以下优点：
(1)由于现有3D激光打印采用单光束激光聚焦为光源，打印的速度和分辨率都受制于聚焦光斑的尺寸，本发明采用多光束激光干涉技术产生的微纳复合周期性结构干涉光为光源，曝光场面积大、效率高。
(2)由于激光干涉技术产生的图案结构从纳米级到微米级可调，具有图形特征尺寸小、周期性好、图案密度可调性好的优点，使得微纳复合结构3D打印的周期设置更方便。
(3)由于本发明直接生成微纳复合结构的3D打印，节省打印材料，相比现有方法具有快速、大面积、精密、低成本实现微纳复合材料3D打印的优点。
附图说明
图1为本发明的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统原理示意图；
图2为本发明实施例1六光束激光分光系统示意图；
图3为本发明实施例1六光束激光干涉3D打印系统示意图；
图4为本发明实施例1计算仿真模拟六光束激光二维结构示意图；
图5为本发明实施例1计算机仿真模拟3D打印成型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整的描述。所列出的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护对象。
实施例1
如图1所示，本发明一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统包括：图像采集数据处理模块1、PC控制中心2、激光器3、分光系统4、三维打印平台5、打印材料6、CCD显微成像系统7。首先图像采集数据处理模块1将打印物体3D扫描后生成物理模型分层，并传送给PC控制中心2；根据打印纳米图案尺寸要求，PC控制中心2模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统4参数，使分光系统4将激光器3输出的单束激光分为多束相干光，并设定各路相干光束的入射角和空间角，各路相干光的偏振态一致，通过参数设定使多束相干光组合，在CCD显微成像系统7和打印材料6的表面上形成周期性微纳复合结构图案；CCD显微成像系统7检测相干光形成的干涉结构图案信息并反馈给PC控制中心2，PC控制中心2对分光系统4的参数修正，使CCD显微成像系统7检测干涉图案分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，参数设定完成；PC控制中心2精确地控制三维打印平台5在二维平面的扫描速度及方式，相干光按照被打印物体3D物理模型截面轮廓逐点扫描，与被打印材料6作用使作用处材料成型，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，设置打印平台5升起或下降一层薄片的距离后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。
如图2所示，由紫外激光器3(355nm)发出的激光经过分光系统4后分为6束干涉光，图中光路I、II、III为入射光束，光路IV、V、VI为调制光束。入射光I、II、III的空间角成系统中心轴对称分布，即为0°、120°和240°，调制光IV、V、VI的空间角分别与三束入射光的空间角相同，但入射角不同。入射光束入射角为30°，调制光束入射角为35°。干涉结构以正三角形分布的点阵为大周期(6μm)并以孔阵为小周期(500nm)的微纳复合双重二维结构。如图4计算仿真模拟图所示。
六光束激光干涉3D打印系统如图3所示，首先使用图像采集数据处理模块1将打印物体(正方体)3D物理模型切片分层，并传送给PC控制中心2，根据打印纳米图案尺寸要求(500nm/6μm)，PC控制中心2模拟3D纳米图案结构成型物理模型并控制分光系统4将激光器3输出的单束激光分为六束相干光，通过参数设定使相干光干涉，并在CCD显微成像系统7和打印材料6(SU8光刻胶)的表面上形成以正三角形分布的点阵为大周期并以孔阵为小周期的微纳复合双重二维结构。CCD显微成像系统7干涉结构图案信息并反馈给PC控制中心，PC控制中心对分光系统参数修正，使CCD显微成像系统检测干涉图案分布周期达到打印纳米图案尺寸要求。参数设定完成。PC控制中心精确地控制三维打印平台5在二维平面的扫描速度1mm/s，并按照被打印物体3D物理模型截面轮廓逐点扫描，相干光与光刻胶作用使作用处材料成型，单层扫描完成获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，设置打印平台升起或下降一层薄片的距离(500nm)后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料，显影后生成微纳复合结构三维模型。
如图5所示计算机仿真模拟3D打印立体成型图。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：包括图像采集数据处理模块(1)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系统(4)、三维打印平台(5)、打印材料(6)和CCD显微成像系统(7)；打印材料(6)置于三维打印平台(5)上；首先图像采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；根据打印纳米图案尺寸要求，PC控制中心(2)模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光，并设定各路相干光束的入射角和空间角，各路相干光的偏振状态一致，通过参数设定使多束相干光组合，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉结构图案信息并反馈给PC控制中心(2)，PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，使CCD显微成像系统(7)检测干涉图案分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，参数设定完成；PC控制中心(2)精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，相干光按照被打印物体3D物理模型截面轮廓逐点扫描，与被打印材料(6)作用使作用处材料成型，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，设置打印平台(5)升起或下降一层薄片的距离后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。
2.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述多束相干光束数量为2-6束。
3.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述设定各路相干光束入射角为0°-90°，空间角0°－360°。
4.根据权利要求1或2所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述多束相干光在干涉场内产生强弱调制的光强度分布，用调制后重新分布的光强分布作为3D打印光源，在CCD显微成像系统(7)或打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案。
5.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述PC控制中心(2)设置分光系统(4)参数时，使得干涉光场强度分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，图案周期50-5000nm可调，线栅、点阵、多图形组合等微纳复合结构图案可选，图形占空比1：1-1：10可选。
6.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，由CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉图案信息并反馈给PC控制中心(2)，与模拟图案进行比对，调整分光系统参数，减小误差，实现CCD显微成像系统检测干涉图案与打印图案一致。
7.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述周期性微纳复合结构的相干光与被打印材料(6)作用，经过物理或化学变化使作用处材料直接成型为微纳复合结构。
8.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述PC控制中心(2)根据设置精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，扫描速度(1-10mm/s)，通过打印物体3D物理模型截面轮廓确定范围，逐点填充扫描，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，升起或下降一层薄片的距离(100nm-2um)后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。
9.多光束激光干涉跨尺度3D打印方法，其特征在于实现步骤如下：
A.采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；
B.PC控制中心(2)根据打印纳米图案尺寸要求模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光，使得干涉光场强度分布周期达到打印纳米图案尺寸要求；
C.相干光在干涉场内产生强弱调制的光强度分布，用调制后重新分布的光强分布作为3D打印光源，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；
D.CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉图案信息并反馈给PC控制中心(2)，与模拟图案进行比对，通过PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，减小误差，实现CCD显微成像系统检测干涉图案与打印图案一致；
E.相干光与被打印材料(6)作用，经过物理或化学变化使作用处材料直接成型为微纳复合结构；
F.通过PC控制中心(2)精确控制三维打印平台的位移，相干光有步骤分层扫描被打印材料(6)，叠加成型的方式逐层增加材料实现微纳复合结构的3D打印。
10.根据权利要求9所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印方法，其特征在于：所述多束相干光束数量为2-6束，设定各路相干光束入射角为0°-90°，空间角0°－360°。
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