CN105818383B - 一种基于全息光镊的超材料光固化3d打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法,该方法选用液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，根据计算机有限元计算的结果设计目标超材料的几何构型和拓扑结构，将源数据生成打印文件和全息图像文件，并分别传送至基于立体光固化成型的3D打印设备和基于衍射光学器件的全息光镊；全息光镊根据全息图像文件在液态光敏树脂中同时产生多个既定分布的光势阱，将人造微结构俘获于各势阱中，使其按照设计的拓扑结构有序排列；基于立体光固化成型的3D打印设备将打印焦距设置在人造微结构所排列的深度，固化液体原始基材；根据打印文件不断叠层制造，可以方便制备具有不同材料基体与微结构组成的三维复杂曲面超材料。

Description

一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法
技术领域
本发明属于超材料制造技术领域，具体涉及一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法。
背景技术
超材料作为一类拥有天然材料不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其通过在亚波长的材料特征尺度上设计有序结构，可以获得超出自然界固有材料表观自然规律限制的特殊功能，极大拓展了电磁学、光学、声学等学科的研究范畴，在航天、航空、电子、通信、物联网、生物医疗器械、军事等领域里展现了巨大的潜在价值和应用前景。超材料被赋予的功能来自于其内部的人工结构而非构成它们的材料，一般由非金属材料制成的基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的多个人造微结构构成，由人造微结构形成的每个超材料单元具有不同于基板本身的电、磁、力学特性，因此所有的超材料单元构成的超材料对电场、磁场及声场呈现出特殊的响应特性，进而通过对人造微结构构型的设计，可以改变整个超材料的响应特性。设计加工成千上万个人造复杂微结构并按照一定有序结构排布是制备超材料的关键所在。另外，超材料的特殊性质在很大程度上取决于自身关键物理尺度，通常人造结构的尺寸为所需响应波长的十分之一，否则这些人造结构所组成的排列在空间中不能被视为连续，因此为应对高频电磁波，超材料的微结构和排序需向数十纳米级别的特征尺度发展。
现有超材料的加工方法仅能制备二维平板型超材料，通过在刚性PCB板或PS板上制作金属微结构完成，受加工工艺的制约，无法完成三维复杂构型超材料的开发，而且基板材料的可选择范围受到很大限制，例如FR‐4、F4b等材料。近年来，以材料累积成型为3D打印技术为超材料提供了全新的实现手段，其以数字化三维模型为基础，通过逐层打印、分层叠加的方式构造三维实体，突破了传统加工技术在产品外形和制造上的限制，可以解决复杂形状制品的成型问题。该方法可方便地结合超材料结构的有限元设计与分析，有利于发展出材料‐结构‐性能一体化的创新设计方法。
根据具体打印方式不同，3D打印技术可分为三维粉末粘结成型(3DP)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)等。目前，基于熔融沉积成型的3D打印技术由于其所使用的热塑性材料的常温下固体属性，可以通过多个喷嘴和料盒方便地实现用不同材料的制备单个结构，然而其只能使用同一类型原材料，基底与微结构的性能对比不十分突出，而且打印精度往往也受到限制。另一方面，基于立体光固化成型的3D打印方法由于其需要在液体环境中工作，现有方法无法实现超材料的制备。
发明内容
本发明针对上述超材料制造技术的不足以及现有3D打印技术的各种局限，提供一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，通过全息光镊实现光敏液体制造环境中微结构的可控排列，从而形成既定拓扑结构，解决基于立体光固化成型的3D打印技术无法实现使用两种不同材质制备同一结构的问题。本发明所提出的方法具有适应性强、操作方便等诸多优点，根据计算机仿真数据得到的目标超材料的几何构型和拓扑结构可直接生成打印文件和全息图像文件，指导3D打印机和全息光镊工作，整个制造过程易于实现自动化；全息光镊为液体环境中微结构任意形式分布的实现提供了强有力的手段。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，目标超材料实体同时使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行3D打印，其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹有序排列的人造微结构的三维复杂曲面超材料；具体打印方法包括如下步骤：
(1)将所述液态光敏树脂容置于具有透明槽底的储液槽中；
(2)将所述作为人造微结构的固体微粒分散于少量液态光敏树脂中形成的混合物并装入移液管备用；固体微粒分散于光敏树脂前进行表面活性处理，使其易于在液态光敏树脂中分散；
(3)计算机辅助设计超材料的三维模型
使用计算机的有限元程序数值计算电磁波、声波在超材料中传播的过程，从而得到满足既定功能超材料的的几何构型和拓扑结构，并通过计算机辅助设计得到所需制造超材料的三维模型；
(4)生成打印文件和全息图像文件
将三维模型进行前处理和分层处理后导入立体光固化成型的3D打印设备，设置支撑及工艺参数，最终生成打印文件；同时将三维模型分层处理后输出生成包含人造微结构空间排序信息的全息图像文件，导入全息光镊；
(5)全息光镊在储液槽中生成光势阱
全息图像的相位信息进行数字编码后影射到全息光镊的液晶空间光调制器(liquid crystal spatial light modulators),单束固态激光经液晶空间光调制器后分裂为多束激光，经望远镜、反射镜及物镜后从储液槽上部或储液槽的透明槽底部入射，在液态光敏树脂中形成与所制造超材料中微结构具有相同排序方式的光势阱；
(6)固体微粒俘获于各光势阱中
将移液管中的混合物加入储液槽中生成光势阱的大致位置，分散于液态光敏树脂中的固体微粒受到散射力(scattering force)和梯度力(gradient force)的联合作用下，聚集在各光势阱中，从而形成所设计的有序排列人造微结构；
(7)打印有序微结构所在平面的基材
所述立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线从储液槽的透明槽底部或储液槽的上部射入，首先聚焦于俘获有微结构的有序光势阱所在平面，光固化包裹有序微结构的基材；
当步骤(5)所述的多束激光经望远镜、反射镜及物镜后从储液槽上部入射时，则立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线从储液槽的透明槽底部；当步骤(5)所述的多束激光经望远镜、反射镜及物镜后，从储液槽的透明槽底部入射时，则立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线从储液槽的上部射入；
所使用固化光源强度需大于6W/cm2，减小固化时间，保证微结构在基材固化过程中的稳定性，优选采用LED紫外光源；所使用光敏树脂聚合反应对应波长应不大于400nm，优选采用对应波长365nm的光敏树脂。
(8)分层打印有序微结构所在固化层下方的基材
关闭全息光镊，分层打印步骤(7)中已固化的有序微结构所层下方的基材，得到所设计超材料的下半部分；
(9)分层打印有序微结构所在固化层上方的基材
将步骤(8)中得到的所设计超材料的下半部分上下反转，分层打印步骤(7)中已固化的有序微结构所层上方的基材，最终得到所设计超材料；
(10)后处理
对所制造超材料进行清洗、去支撑和表面打磨。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明所述方法可以制备具由不同材料基体与微结构组成的三维复杂曲面超材料。
2、所述方法使用有限元计算得到的目标超材料的几何构型和拓扑结构作为超材料设计和制造的源数据，易于实现自动化生产，提高生产效率。
3、所述方法可以实现具有任意微结构拓扑结构的超材料的制备，适应性强、操作方便、具有更高的制造精度。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种具有网格状排序方式人造微结构超材料的制备方法示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
本发明一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，同时使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行3D打印目标超材料实体，其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹有序排列的人造微结构的三维复杂曲面超材料。液态光敏树脂容置于具有透明槽底的储液槽中，其固化对应波长为365nm，动力粘度在小于0.25Pa·s，过高的粘度将减弱光镊在液态光敏树脂产生的光势阱的俘获能力。
作为人造微结构的固体微粒分散于少量液态光敏树脂中并装入移液管备用；固体微粒分散于光敏树脂前进行表面活性处理，使其易于在液态光敏树脂中分散，选用固体微粒的特征尺寸小于2微米，具体尺寸根据所制备超材料目标功能而选取，作为一种优选方式，固体微粒为金属微球、高分子微球、碳纳米管等。固体微粒在液态光敏树脂中的体积分数不超过1％。
实施例一
图1是本实施例提供的一种具有网格状排序方式人造微结构超材料的制备方法示意图，该制备方法包括：
(1)计算机辅助设计超材料的三维模型
使用计算机的有限元程序数值计算电磁波、声波在超材料中传播的过程，从而得到满足既定功能超材料的的几何构型和拓扑结构，并通过计算机辅助设计得到所需制造超材料的三维模型；
(2)生成打印文件和全息图像文件
将三维模型进行前处理和分层处理后导入立体光固化成型的3D打印设备，设置支撑及工艺参数，最终生成打印文件；同时将三维模型分层处理后的输出生成包含人造微结构空间排序信息的全息图像文件，导入全息光镊；
(3)全息光镊在储液槽中生成具有网格状排序方式的光势阱
全息图像的相位信息进行数字编码后影射到全息光镊的液晶空间光调制器(liquid crystal spatial light modulators),单束固态激光经液晶空间光调制器后分裂为多束激光，经望远镜、反射镜及物镜后从储液槽上部入射，在液态光敏树脂中形成与所制造超材料中微结构具有网格状排序方式的光势阱；
(4)固体微粒俘获于各光势阱中
将移液管中的混合物加入储液槽中生成光势阱的大致位置，分散于液态光敏树脂中的固体微粒受到散射力(scattering force)和梯度力(gradient force)的联合作用下，聚集在各光势阱中，从而形成所设计的有序排列人造微结构；
(5)打印有序微结构所在平面的基材
所述立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出365nm的紫外光线通过储液槽的透明槽底，首先聚焦于俘获有微结构的有序光势阱所在平面，光固化包裹有序微结构的基材，本层的厚度至少应大于两倍固体微粒的特征尺寸；
所使用固化光源强度需大于6W/cm2，减小固化时间，保证微结构在基材固化过程中的稳定性，优选采用LED紫外光源；
(6)分层打印有序微结构所在固化层下方的基材
关闭全息光镊，分层打印步骤(5)中已固化的有序微结构所在层下方的基材，得到所设计超材料的下半部分；
(7)分层打印有序微结构所在固化层上方的基材
将步骤(6)中得到的设计超材料的下半部分上下反转，分层打印步骤(5)中已固化的有序微结构所在层上方的基材，最终得到所设计超材料；
(8)后处理
对所制造超材料进行清洗、去支撑和表面打磨。
本实例中，立体光固化成型3D打印设备的光源系统发出的紫外光还可以从储液槽的上部射入，而全息光镊产生的多路激光可从储液槽的透明底槽射入。
对于具有其它排序方式人造微结构超材料，只需将所设计的三维模型分层处理后的输出的全息图像文件导入全息光镊，则可在液态光敏树脂中产生所需空间排序的光势阱，按照上述步骤(1)——(8)，即可实现目标超材料的制造。

Claims (6)

1.一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，其特征在于，目标超材料实体同时使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行3D打印，其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹有序排列的人造微结构的三维复杂曲面超材料；具体打印方法包括如下步骤：
(1)将所述液态光敏树脂容置于具有透明槽底的储液槽中；
(2)将所述作为人造微结构的固体微粒分散于少量液态光敏树脂中形成的混合物并装入移液管备用；固体微粒分散于光敏树脂前进行表面活性处理，使其易于在液态光敏树脂中分散；
(3)计算机辅助设计超材料的三维模型
使用计算机的有限元程序数值计算电磁波、声波在超材料中传播的过程，从而得到满足既定功能超材料的的几何构型和拓扑结构，并通过计算机辅助设计得到所需制造超材料的三维模型；
(4)生成打印文件和全息图像文件
将三维模型进行前处理和分层处理后导入立体光固化成型的3D打印设备，设置支撑及工艺参数，最终生成打印文件；同时将三维模型分层处理后输出生成包含人造微结构空间排序信息的全息图像文件导入全息光镊；
(5)全息光镊在储液槽中生成光势阱
全息图像的相位信息进行数字编码后影射到全息光镊的液晶空间光调制器,单束固态激光经液晶空间光调制器后分裂为多束激光，经望远镜、反射镜及物镜后，从储液槽上部或储液槽的透明槽底部入射，在液态光敏树脂中形成与所制造超材料中微结构具有相同排序方式的光势阱；
(6)固体微粒俘获于各光势阱中
将移液管中的混合物加入储液槽中生成光势阱的大致位置，分散于液态光敏树脂中的固体微粒受到散射力和梯度力的联合作用，聚集在各光势阱中，从而形成所设计的有序排列人造微结构；
(7)打印有序微结构所在平面的基材
立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线从储液槽的透明槽底部或储液槽的上部射入，首先聚焦于俘获有微结构的有序光势阱所在平面，光固化包裹有序微结构的基材；
当步骤(5)所述的多束激光经望远镜、反射镜及物镜后从储液槽上部入射时，则立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的的紫外光线从储液槽的透明槽底部；当步骤(5)所述的多束激光经望远镜、反射镜及物镜，后从储液槽的透明槽底部入射时，则立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线从储液槽的上部射入；
(8)分层打印有序微结构所在固化层下方的基材
关闭全息光镊，分层打印步骤(7)中已固化的有序微结构所在层下方的基材，得到所设计超材料的下半部分；
(9)分层打印有序微结构所在固化层上方的基材
将步骤(8)中得到的所设计超材料的下半部分上下反转，分层打印步骤(7)中已固化的有序微结构所在层上方的基材，最终得到所设计超材料；
(10)后处理
对所制造超材料进行清洗、去支撑和表面打磨。
2.根据权利要求1所述的基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：所述固体微粒的特征尺寸小于2微米，具体尺寸根据所制备超材料目标功能而选取。
3.根据权利要求1所述的基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：所述固体微粒为金属微球、高分子微球或碳纳米管。
4.根据权利要求1所述的基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：所述固体微粒在液态光敏树脂中分散的体积分数不超过1％。
5.根据权利要求1所述的基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：步骤(7)所述光固化包裹有序微结构的基材，其中使用固化光源强度大于6W/cm2。
6.根据权利要求1所述的基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，其特征在于：步骤(7)所述光固化包裹有序微结构的基材，其中光固化采用LED紫外光源。
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