CN105751511A - 双光子聚合3d打印机及打印方法 - Google Patents
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Abstract
一种双光子聚合3D打印机及打印方法，该打印机包括飞秒激光脉冲系统、亚微米级精度运动平台、CCD监控系统和控制电脑，飞秒激光脉冲系统具有用于产生600?1000nm双光子激光的飞秒激光器，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜，光路开关和衰减片；CCD监控系统通过分色镜与飞秒激光脉冲系统的光路连接；控制电脑分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接。该打印方法包括：通过CCD监控系统调节合适的打印起始位置；将要打印的模型切片生成控制代码；控制电脑控制运动平台和光路开关实现双光子聚合打印；如此逐层打印；之后，溶解掉未交联的光敏树脂。本发明可实现微纳米打印精度。
Description
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种双光子聚合3D打印机及打印方法。
背景技术
3D打印是新兴加工制造技术，相对于传统的减材制造模式，以增材制造为基础的3D打印技术具有革命性的意义。但是，现在大多数的3D打印机均无法打印亚微米结构，对于常见的SLA和FDM技术，其打印工件尺寸均在毫米以上范围内。对于小于1mm的结构，常规的3D打印技术无法满足加工要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种双光子聚合3D打印机及打印方法，以满足微纳尺度打印。
本发明的技术方案如下：
一种双光子聚合3D打印机，其包括：
飞秒激光脉冲系统，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上的光路开关和衰减片；
亚微米级精度运动平台，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统的控制下移动光敏树脂；
CCD监控系统，通过分色镜与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及
控制电脑，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接。
在上述的双光子聚合3D打印机中，优选地，飞秒激光脉冲系统的光路上还具有反射镜和扩束镜，从飞秒激光器到物镜，所述光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜、分色镜顺次设置。
在一些方案中，所述运动平台为三维运动平台，光敏树脂设置于该三维运动平台上的敞口容器内，所述物镜设置于三维运动平台上方。
在另一些方案中，所述运动平台为Z轴运动平台，所述物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描。
一种双光子聚合3D打印机的打印方法，该打印方法采用的打印机包括：
飞秒激光脉冲系统，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上的光路开关和衰减片；
亚微米级精度运动平台，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统的控制下移动光敏树脂；
CCD监控系统，通过分色镜与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及
控制电脑，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接；
该打印方法包括：
通过CCD监控系统调节合适的打印起始位置；
将要打印的模型切片生成控制代码；
控制电脑执行所述控制代码，一方面控制运动平台或者运动平台和所述物镜按照预定的轨迹运动，另一方面控制光路开关，以在合适的位置曝光使相应位置的光敏树脂发生聚合而固化，从而实现双光子聚合打印；如此逐层打印；
在打印完毕之后，溶解掉未交联的光敏树脂。
在上述的双光子聚合3D打印机的打印方法中，优选地，飞秒激光脉冲系统的光路上还具有反射镜和扩束镜，从飞秒激光器到物镜，所述光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜(转镜)、分色镜顺次设置；打印中，飞秒激光器产生双光子激光，经过光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜和物镜将激光聚焦，来使光敏树脂交联。
在上述的双光子聚合3D打印机的打印方法中，优选地，所述运动平台为Z轴运动平台，物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描；打印中，控制电脑执行所述控制代码，通过二维激光振镜驱动物镜在X/Y平面进行扫描，在当前层打印完后，通过Z轴运动平台带动光敏树脂向下运动，定位到另一层。
相对于普通的SLA 3D打印光聚合采用紫外波长的激光(250-400nm)，光子能量高，光经过的地方均发生聚合，本发明双光子聚合采用近红外波长(600-1000nm)的激光，近红外波长光子能量低，线性吸收及瑞利散射小，在介质中穿透性高，引发剂或光敏剂在光子强度高的焦点处才会产生双光子聚合，进而引发液态树脂发生聚合而固化。因此，双光子聚合3D打印机具有空间性。
由于采用了飞秒激光系统来进行光敏树脂的固化交联，其分辨率可以通过调节激光的能量、曝光量，三维运动平台的扫描速率来改变，精度可以达到＜100nm，即能够满足微纳尺度打印。
附图说明
图1为本发明的一些实施例双光子聚合3D打印机的组成示意图；
图2为普通SLA单光子聚合和双光子聚合的原理区别示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参照图1，一些实施例中，双光子聚合3D打印机包括：飞秒激光脉冲系统100，控制电脑200，CCD监控系统300，3D精密滑台(亚微米级精度运动平台)600，3D精密滑台的运动控制系统500。
飞秒激光脉冲系统100具有：飞秒激光器110，光路开关120，衰减片130，扩束镜140，转镜(反射镜)150，物镜170。飞秒激光器110用于产生600-1000nm双光子激光。该激光经过光路开关120、衰减片130、扩束镜140、转镜150和物镜170将激光聚焦到一个点，来使光固化树脂交联。光路开关120、衰减片130用于调节曝光时间和光强。
CCD监控系统300通过分色镜400与飞秒激光脉冲系统100的光路连接。CCD监控系统300通过分色镜400和双光子激光聚焦到一个点，来对打印过程进行实时监控，从而保证打印中模型固定在树脂槽底部而不会发生位移。
3D精密滑台600用于承载光敏树脂以及在运动控制系统500的控制下移动光敏树脂。具体地，在3D精密滑台600上安装有树脂槽610(敞口容器)，光敏树脂装于树脂槽610中。3D精密滑台600可以采用空气直线轴承或压电滑台，运动精度均可以达到亚微米。
飞秒激光器110、光路开关120、CCD监控系统300和运动控制系统500均和控制电脑200连接。
采用上述双光子聚合3D打印机的打印方法如下：通过CCD监控系统300调节合适的打印起始位置，保证模型在固化过程中不会移位；3D打印控制软件通过切片软件将要打印的模型进行逐层切片，生成控制代码(包括G代码运动轨迹和曝光位置)，控制电脑200执行控制代码，一方面通过运动控制系统500控制3D精密滑台600按照预定的轨迹运动，同时，控制电脑200执行控制代码，控制飞秒激光脉冲系统100中的光路开关120，在合适的位置曝光使相应位置的光敏树脂发生聚合而固化，从而实现双光子聚合打印；待一层聚合固化完毕之后，3D精密滑台600带动树脂槽610向下移动一定位置，进行下一层的打印；在打印完毕之后，溶解掉未交联的光敏树脂。
模型切片软件可以采用cura，skeinforge和ferry等，在切片的过程中，可以通过调节层高，光斑直径，来对应于打印的精度，得到合适的打印路径。
光敏树脂作为双光子聚合材料，可以采用正刻胶和负刻胶。常见的正刻胶品牌有SCR500、NOA72和EPO-TEK301，负刻胶有SU-8和SCR701。待打印过程结束后，可以用酒精清洗掉未交联固化的光敏树脂。
上述双光子聚合3D打印机可以达到微纳尺度的加工精度。进一步还可以将所有的设备安装在主动去震平台上，以保证绝对的精度和稳定。超高精度的滑台和超高精度的双光子聚合范围相互匹配，实现了高精度的打印。
图2中示出了普通SLA单光子聚合和双光子聚合的原理区别。其中，左图为SLA单光子聚合的原理，右图为本发明双光子聚合的原理，箭头所指的白色区域为激光汇聚照射到树脂时发生光化学反应的区域。如图2所示，相比于传统的单光子聚合的SLA 3D打印机技术，由于材料的双光子吸收速率与入射光功率密度的平方成正比，材料被激发的速率在远离焦点的方向衰减的更为迅速，因此，由双光子吸收引发的光化学反应将被局限在光功率密度很高的焦点周围极小的区域内，光束途经的其它部分几乎不受影响。
上述实施例中，运动平台为三维运动平台，光敏树脂设置于该三维运动平台上的敞口容器内，飞秒激光脉冲系统的物镜设置于三维运动平台上方。
此外，在另一些方案中，运动平台还可以采用Z轴运动平台，飞秒激光脉冲系统的物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描。在打印中，控制电脑执行控制代码，通过二维激光振镜驱动物镜在X/Y平面进行扫描，在当前层打印完后，通过Z轴运动平台带动光敏树脂向下运动，定位到另一层。即由Z轴运动平台带动光敏树脂实现Z轴方向移动，而由二维激光振镜驱动物镜实现X轴和Y轴方向运动进行扫描。
上述双光子聚合3D打印机技术可以实现微纳米打印精度。同时打印系统也不再需要像SLA打印技术那样形成树脂薄层的机构，整个加工过程全部在材料内部完成。
Claims (8)
1.一种双光子聚合3D打印机，其特征在于包括：
飞秒激光脉冲系统(100)，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器(110)，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜(170)，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上的光路开关(120)和衰减片(130)；
亚微米级精度运动平台(600)，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统(500)的控制下移动光敏树脂；
CCD监控系统(300)，通过分色镜(400)与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及
控制电脑(200)，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接。
2.根据权利要求1所述的双光子聚合3D打印机，其特征在于，飞秒激光脉冲系统(100)的光路上还具有反射镜(150)和扩束镜(140)，从飞秒激光器到物镜，所述光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜、分色镜顺次设置。
3.根据权利要求1所述的双光子聚合3D打印机，其特征在于，所述运动平台为三维运动平台，光敏树脂设置于该三维运动平台上的敞口容器内，所述物镜设置于三维运动平台上方。
4.根据权利要求1所述的双光子聚合3D打印机，其特征在于，所述运动平台为Z轴运动平台，所述物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描。
5.一种双光子聚合3D打印机的打印方法，其特征在于：
所述双光子聚合3D打印机包括：
飞秒激光脉冲系统(100)，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器(110)，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜(170)，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上的光路开关(120)和衰减片(130)；
亚微米级精度运动平台(600)，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统(500)的控制下移动光敏树脂；
CCD监控系统(300)，通过分色镜(400)与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及
控制电脑(200)，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接；
所述打印方法包括：
通过CCD监控系统调节合适的打印起始位置；
将要打印的模型切片生成控制代码；
控制电脑执行所述控制代码，一方面控制运动平台或者运动平台和所述物镜按照预定的轨迹运动，另一方面控制光路开关，以在合适的位置曝光使相应位置的光敏树脂发生聚合而固化，从而实现双光子聚合打印；如此逐层打印；
在打印完毕之后，溶解掉未交联的光敏树脂。
6.根据权利要求5所述的双光子聚合3D打印机的打印方法，其特征在于：飞秒激光脉冲系统的光路上还具有反射镜和扩束镜，从飞秒激光器到物镜，所述光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜、分色镜顺次设置；打印中，飞秒激光器产生双光子激光，经过光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜和物镜将激光聚焦，来使光敏树脂交联。
7.根据权利要求5所述的双光子聚合3D打印机的打印方法，其特征在于：所述运动平台为Z轴运动平台，物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描；打印中，控制电脑执行所述控制代码，通过二维激光振镜驱动物镜在X/Y平面进行扫描，在当前层打印完后，通过Z轴运动平台带动光敏树脂向下运动，定位到另一层。
8.根据权利要求5所述的双光子聚合3D打印机的打印方法，其特征在于：打印中，光敏树脂中的光敏剂在光子强度高的焦点处才产生双光子聚合。
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