CN106493942B - 全息超声场面自成型增材制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全息超声场面自成型增材制造方法及装置，属于增材制造领域。用普通液态树脂作为成型件主体材料，光引发剂为能够引发普通液态光敏树脂单体聚合、固化的固体粉末，根据计算机设计所需成型件的几何构型，将设计模型数据生成打印文件和全息图像文件，并传送至全息超声场面自成型增材制造装置。全息声透镜在超声换能器的作用下在普通液态树脂的表面形成既定分布的精密超声场，将施放在超声场附近的光引发剂聚集并自动形成既定形状，紫外灯扫过并照射普通液态树脂表面，实现光引发剂周围普通液态树脂的迅速固化，根据打印文件进行层叠增材制造，实现所需零件的全息超声场面自成型增材制造，提高了成型件的质量。

Description

全息超声场面自成型增材制造方法及装置

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体涉及到全息超声场面自成型增材制造方法及装置。

背景技术

增材制造技术是采用材料逐渐累加的方式进行实体制造，相对于传统的减材制造、等材制造等加工技术，极大程度的减少了加工工序和加工刀具，缩短产品的加工时间和制造周期，实现快速精密制造复杂零件的同时实现绿色制造，对促进产品创新、缩短研发周期等具有积极推动作用。

立体光固化增材制造(SLA)是采用特定波长与固化强度的激光，使用液态光敏树脂为原料。其工艺流程是：首先通过三维设计软件进行所需件三维模型搭建，利用离散程序对三维模型进行切片处理并设计扫描路径，汇聚激光根据扫描路径经运动平台带动照射光敏树脂，使之由点及线，由线及面固化，完成单个截面的固化成型，然后升降台下降一定高度，继续固化已固化层上方的液态光敏树脂，层层堆叠实现所需件的三维成型。

数字光投影增材制造(DLP)原理上和立体光固化增材制造类似，均采用液态光敏树脂为原料并分层固化，不同于SLA为激光头单次固化一个点，DLP采用数字投影仪为光源，可实现单次固化一整个面，通过离散程序对三维模型进行切片处理后，产生许多帧图像并由数字投影仪照射到液态光敏树脂底面，透过玻璃窗口完成特定区域的表面一层树脂的固化，配合升降台进行层层堆叠实现所需件的三维成型。

立体光固化增材制造能够准确实现单个点的固化成型，可控性能好精度高，但成型速度慢，具有较大缺陷。数字光投影增材制造能够快速实现单个片的固化，极大程度的提高了成型速度，但成型速度过快导致固化的光敏树脂材料易粘接在储液槽底部的玻璃窗口上造成打印失败，液态光敏树脂具有一定的粘度，升降台移动过程中液态光敏树脂补充过程较慢无法高效固化。

声全息是利用光学全息照相的原理应用在声学领域而形成的声成像技术。又称声全息术。声全息的原理是利用声波的干涉原理来获得被观察物体声场全部信息(振幅分布和情况相位分布情况)，并利用声波的衍射原理再现物体的像。传统的声全息是利用声波在液面下直接记录物体全部声场信息，并直接体现在液面表面，此时液面通过变形形成等效的全息图，后通过激光照射液面反射光进行成像。德国马普学会智能系统所的研究人员皮尔·费希尔改变了传统声全息方法，利用制作声全息透镜并获得所需声场，使用该全息图系统构成的声势阱图形，利用声势井的声场梯度力迫使悬浮于水中的微粒聚集形成飞翔的和平鸽图案。(Neild A.Acoustics:Motion controlled by sound[J].Nature,2016,537(7621):493-494.)

发明内容

本发明提供一种全息超声场面自成型增材制造方法及装置，以解决当前固化光敏树脂易粘接在储液槽底部的玻璃窗口造成打印失败，液态光敏树脂补充较慢造成固化缺陷或等待时间过程长等问题，同时保证固化速度和效果，实现高速高效高质量的增材制造。

本发明采用的技术方案是，包括下列步骤：

(1)将液态光敏树脂作为主体材料置于储液槽中；

(2)将超声换能器置于储液槽中并处于主体材料里；

(3)将经表面活性处理的光引发剂置于储液槽上方的阵列喷嘴中；

(4)计算机设计所需件的结构并制作三维模型；

(5)根据步骤(4)所得的三维模型生成打印文件并制作全息声透镜：

将步骤(4)所得的三维模型进行前处理和分层处理，设置支撑结构和打印工艺参数生成打印文件；同时根据迭代角谱算法计算出三维模型的各点相位及振幅信息并记录在全息声透镜上，并将全息声透镜安装在超声换能器上；

所述全息声透镜的制作方法如下：

(a)采用迭代角谱算法通过各点振幅和相位计算全息透镜各点厚度：

液面上未干涉的各点声压：

(x,y,z₀+nz_i)为液面处(第n层)各点的空间坐标通式，为液面处(第n层)干涉后的已知声压，已知：波矢量表示液面处(第n层)声波的传播方向，k_x和k_y分别为波矢量在x轴和y轴方向的分量，波矢量在z轴方向的分量即主体材料每层固化的层厚为z_i，全息声透镜上表面z＝0，z₀为基板上表面到全息声透镜上表面的距离，n为步骤(5)中所述的分层处理的层数，为自然数；

全息声透镜需要记录空间超声场各点的相位、振幅信息，液面未干涉的各点声压可通过该点的振幅、相位表示，为：

为液面未干涉的各点声波的振幅，φ(x,y,z₀+nz_i)为液面未干涉的各点声波的相位；

声波透过n个层厚的振幅关系式：

已知：为声波透过第q层的振幅损失，为基板上表面的声波振幅；

若该点为液态主体材料，则若为固化后的主体材料，则：

其中上述步骤(5)中生成打印文件时即已知任意点处的物质状态，已知：液态主体材料声阻抗Z_m，固化后的声阻抗Z_s，为声波在主体材料固化后中的波数，λ_s为声波在主体材料固化后中的波长；Z_q-1、Z_q为任一点在第q-1层、q层的声阻抗，若为液态主体材料则为Z_m，若为固化后材料则为Z_s；

声波由基板到液面的相位变化即全息声透镜到液面的相位变化为：

为声波在液态主体材料中的波数，λ_m为声波在液态主体材料中的波长，z_q为该点第q层的固化后主体材料的厚度，若该点为液态主体材料则z_q＝0，若该点为固化后的主体材料则z_q＝z_i；全息声透镜表面到基板上表面(即z＝0到z＝z₀)，物质分布均匀，声波相位无相对变化；

声波穿过基板的振幅关系式：

已知：为声波透过基板的振幅损失，基板厚度为T_B，基板的声阻抗Z_B，液态主体材料声阻抗Z_m，声波在基板中的波数，λ_B为声波在基板中波长；

全息声透镜上各点振幅和换能器输出振幅的关系为：

已知：为声波透过声透镜的振幅损失，为全息声透镜上表面声波的振幅，为基板下表面的声波振幅，超声换能器输出振幅液体材料对振幅影响极小可忽略，

已知：全息声透镜材料声阻抗为Z_h，换能器表面材料声阻抗为Z_t，为声波在全息声透镜中的波数，λ_h为声波在全息声透镜中的波长，为声波在主体材料中的波数，λ_m为声波在主体材料中的波长；

声波相位改变值和全息声透镜厚度的关系：

△φ(x,y)＝(k_m-k_h)△T(x,y)

T(x,y)＝T₀-△T(x,y)

T(x,y)为全息声透镜的各个点的厚度，T₀全息声透镜的初始设定值，为已知常数，△T(x,y)全息声透镜去除的厚度值；

(b)使用高精度激光雕刻机将初始厚度为T₀的全息声透镜各点去除△T(x,y)厚度，制得各点厚度为T(x,y)的全息声透镜；

(6)超声换能器产生超声经过全息声透镜，在储液槽中形成精密超声场；

(7)步骤(2)中的喷嘴阵列喷射微量光引发剂至主体材料表面声势井附近，并在主体材料表面超声场作用下实现自动汇聚成二维图形：

主体材料表面存在精密超声场构成的声势井，喷射至声势井附近的光引发剂在超声场梯度力和散射力的共同作用下俘获于声势井中，并汇聚成二维图形；

(8)紫外灯照射普通液态树脂表面，使步骤(7)中得到的二维图形固化：

紫外灯照射至主体材料表面，光引发剂在紫外灯的照射下吸收光子，发生能量交换或电子转移产生自由基或阳离子等活性基团引发主体材料单体聚合固化；

(9)超声换能器、全息声透镜下降一个固化层的高度；

(10)重复步骤(7)至步骤(9)完成所需件的增材制造得到毛坯件；

(11)对步骤(10)所得的毛坯件进行清洗，去支撑和表面打磨得到最终成型件。

本发明所述光引发剂的粒度为0.8-1μm。

本发明所述光引发剂在主体材料中的分散体积分数为2％-4％。

一种全息超声场面自成型增材制造装置，全息声透镜安装在聚焦超声换能器上，聚焦超声换能器和基板固定在升降台上，且基板位于聚焦超声换能器上方，高精密注射泵于喷头阵列相连，喷头阵列位于储液槽上方，紫外灯位于储液槽斜上方。

本发明所述聚焦超声换能器工作频率应大于0.5MHz。

本发明所述基板为透波材料。

本发明所述透波材料为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、环烯烃共聚物、云母、PEEK、ASA、PPS或LCP。

本发明将紫外灯置于主体材料表面，避免粘接储液槽的玻璃窗口，超声换能器和全息声透镜形成精密超声场和声势井，声势井可构成一个所需二维图形，声势井进行俘获喷射的光引发剂并自动形成二维图形实现面的快速光固化，声势井在俘获光引发剂的同时会聚集普通液态树脂至声势井处，避免了光固化处普通液态树脂无法及时补充的问题。

本发明的优点是：

可以实现快速面固化且与储液槽的构件不发生粘接，提高成型件的质量，采用全息声透镜和超声换能器产生精密超声场，利用超声场中的声势井俘获光引发剂实现液面二维图形自成型，并由紫外灯进行快速固化；所述全息声透镜可记录空间相位，结合聚焦超声换能器可形成精密空间超声场，改变超声换能器、全息声透镜到普通液态树脂液面的距离实现声势井图案的改变从而改变自成型图案，所述声势井俘获光引发剂的同时聚集普通液态树脂，解决液态树脂因粘度补充过慢效率低等问题。

附图说明

图1是本发明增材制造方法原理图；

图2是本发明增材制造装置结构示意图；

图3是本发明喷头阵列结构剖视图；

图4是本发明打印件的分层结构示意图及基板、全息声透镜、超声换能器的位置示意图。

具体实施方式

本发明为全息超声场面自成型增材制造方法，使用原料为普通液态树脂，结合光引发剂实现普通液态树脂的聚合固化。超声换能器产生的超声通过全息声透镜可在空间制造出一个精密空间超声场，精密空间超声场中每个平面均有大量声势井，且同一平面声势井构成一个目标二维图形，声势井俘获喷射在周围的光引发剂，同时聚集周围的普通液态树脂，经紫外灯照射实现光引发剂引发周围普通液态树脂聚合固化，完成单个平面的固化；改变超声换能器全息声透镜到液面的距离，实现不同声势井图案的切换，完成不同分层截面的固化并最终实现所需件的增材制造。

所述的光引发剂在使用前应经过表面活性处理使其易于在普通液态树脂中分散，且分散体积分数约为2％-4％，选用的光引发剂的特征尺寸0.8～1μm，具体尺寸应根据所需件的精度和尺寸选用。

所述普通液态树脂的动力粘度应小于0.20Pa·s，过高的粘度将减弱声势井俘获光引发剂和聚集普通液态树脂的能力。

所述紫外灯的固化强度应不小于6W/cm，采用波长为250nm-400nm的紫外灯。

包括下列步骤：

(1)将液态光敏树脂作为主体材料置于储液槽中；

(2)将超声换能器置于储液槽中并处于主体材料里；

(3)将经表面活性处理的光引发剂置于储液槽上方的阵列喷嘴中；

(4)计算机设计所需件的结构并制作三维模型；

(5)根据步骤(4)所得的三维模型生成打印文件并制作全息声透镜：

将步骤(4)所得的三维模型进行前处理和分层处理，设置支撑结构和打印工艺参数生成打印文件；同时根据迭代角谱算法计算出三维模型的各点相位及振幅信息并记录在全息声透镜上，并将全息声透镜安装在超声换能器上；

所述全息声透镜的制作方法如下：

(a)采用迭代角谱算法通过各点振幅和相位计算全息透镜各点厚度：

液面上未干涉的各点声压：

(x,y,z₀+nz_i)为液面处(第n层)各点的空间坐标通式，为液面处(第n层)干涉后的已知声压，已知：波矢量表示液面处(第n层)声波的传播方向，k_x和k_y分别为波矢量在x轴和y轴方向的分量，波矢量在z轴方向的分量即主体材料每层固化的层厚为z_i，全息声透镜上表面z＝0，z₀为基板上表面到全息声透镜上表面的距离，n为步骤(5)中所述的分层处理的层数，为自然数；

全息声透镜需要记录空间超声场各点的相位、振幅信息，液面未干涉的各点声压可通过该点的振幅、相位表示，为：

为液面未干涉的各点声波的振幅，φ(x,y,z₀+nz_i)为液面未干涉的各点声波的相位；

声波透过n个层厚的振幅关系式：

已知：为声波透过第q层的振幅损失，为基板上表面的声波振幅；

若该点为液态主体材料，则若为固化后的主体材料，则：

其中上述步骤(5)中生成打印文件时即已知任意点处的物质状态，已知：液态主体材料声阻抗Z_m，固化后的声阻抗Z_s，为声波在主体材料固化后中的波数，λ_s为声波在主体材料固化后中的波长；Z_q-1、Z_q为任一点在第q-1层、q层的声阻抗，若为液态主体材料则为Z_m，若为固化后材料则为Z_s；

声波由基板到液面的相位变化即全息声透镜到液面的相位变化为：

为声波在液态主体材料中的波数，λ_m为声波在液态主体材料中的波长，z_q为该点第q层的固化后主体材料的厚度，若该点为液态主体材料则z_q＝0，若该点为固化后的主体材料则z_q＝z_i；全息声透镜表面到基板上表面(即z＝0到z＝z₀)，物质分布均匀，声波相位无相对变化；

声波穿过基板的振幅关系式：

已知：为声波透过基板的振幅损失，基板厚度为T_B，基板的声阻抗Z_B，液态主体材料声阻抗Z_m，声波在基板中的波数，λ_B为声波在基板中波长；

全息声透镜上各点振幅和换能器输出振幅的关系为：

已知：为声波透过声透镜的振幅损失，为全息声透镜上表面声波的振幅，为基板下表面的声波振幅，超声换能器输出振幅液体材料对振幅影响极小可忽略，

已知：全息声透镜材料声阻抗为Z_h，换能器表面材料声阻抗为Z_t，为声波在全息声透镜中的波数，λ_h为声波在全息声透镜中的波长，为声波在主体材料中的波数，λ_m为声波在主体材料中的波长；

声波相位改变值和全息声透镜厚度的关系：

△φ(x,y)＝(k_m-k_h)△T(x,y)

T(x,y)＝T₀-△T(x,y)

T(x,y)为全息声透镜的各个点的厚度，T₀全息声透镜的初始设定值，为已知常数，△T(x,y)全息声透镜去除的厚度值；

(b)使用高精度激光雕刻机将初始厚度为T₀的全息声透镜各点去除△T(x,y)厚度，制得各点厚度为T(x,y)的全息声透镜；

(6)超声换能器产生超声经过全息声透镜，在储液槽中形成精密超声场；

(7)步骤(2)中的喷嘴阵列喷射微量光引发剂至主体材料表面声势井附近，并在主体材料表面超声场作用下实现自动汇聚成二维图形：

主体材料表面存在精密超声场构成的声势井，喷射至声势井附近的光引发剂在超声场梯度力和散射力的共同作用下俘获于声势井中，并汇聚成二维图形；

(8)紫外灯照射普通液态树脂表面，使步骤(7)中得到的二维图形固化：紫外灯照射至主体材料表面，光引发剂在紫外灯的照射下吸收光子，发生能量交换或电子转移产生自由基或阳离子等活性基团引发主体材料单体聚合固化；

(9)超声换能器、全息声透镜下降一个固化层的高度；

(10)重复步骤(7)至步骤(9)完成所需件的增材制造得到毛坯件；

(11)对步骤(10)所得的毛坯件进行清洗，去支撑和表面打磨得到最终成型件。

一种全息超声场面自成型增材制造装置，所述全息声透镜3安装在聚焦超声换能器2上，聚焦超声换能器2和基板7固定在升降台6上，且基板7位于聚焦超声换能器2上方，高精密注射泵8于喷头阵列4相连，喷头阵列4位于储液槽1上方，紫外灯5位于储液槽1斜上方；

本发明所述聚焦超声换能器工作频率应大于0.5MHz；

本发明所述基板7为透波材料，对声波的传播影响小；

本发明所述透波材料为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、环烯烃共聚物、云母、PEEK、ASA、PPS或LCP；

进料口与高精密注射泵8相连，通过控制单独每个喷头阀门开合，实现各个喷头按需开合喷射。

Claims (7)

1.一种全息超声场面自成型增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将液态光敏树脂作为主体材料置于储液槽中；

(2)将超声换能器置于储液槽中并处于主体材料里；

(3)将经表面活性处理的光引发剂置于储液槽上方的阵列喷嘴中；

(4)计算机设计所需件的结构并制作三维模型；

(5)根据步骤(4)所得的三维模型生成打印文件并制作全息声透镜：

将步骤(4)所得的三维模型进行前处理和分层处理，设置支撑结构和打印工艺参数生成打印文件；同时根据迭代角谱算法计算出三维模型的各点相位及振幅信息并记录在全息声透镜上，并将全息声透镜安装在超声换能器上；

所述全息声透镜的制作方法如下：

(a)采用迭代角谱算法通过各点振幅和相位计算全息透镜各点厚度：

液面上未干涉的各点声压：

(x,y,z₀+nz_i)为液面处第n层各点的空间坐标通式，为液面处第n层干涉后的已知声压，已知：波矢量表示液面处第n层声波的传播方向，k_x和k_y分别为波矢量在x轴和y轴方向的分量，波矢量在z轴方向的分量即主体材料每层固化的层厚为z_i，全息声透镜上表面z＝0，z₀为基板上表面到全息声透镜上表面的距离，n为步骤(5)中所述的分层处理的层数，为自然数；

全息声透镜需要记录空间超声场各点的相位、振幅信息，液面未干涉的各点声压可通过该点的振幅、相位表示，为：

为液面未干涉的各点声波的振幅，φ(x,y,z₀+nz_i)为液面未干涉的各点声波的相位；

声波透过n个层厚的振幅关系式：

已知：为声波透过第q层的振幅损失，为基板上表面的声波振幅；

若该点为液态主体材料，则若为固化后的主体材料，则：

其中上述步骤(5)中生成打印文件时即已知任意点处的物质状态，已知：液态主体材料声阻抗Z_m，固化后的声阻抗Z_s，为声波在主体材料固化后中的波数，λ_s为声波在主体材料固化后中的波长；Z_q-1、Z_q为任一点在第q-1层、q层的声阻抗，若为液态主体材料则为Z_m，若为固化后材料则为Z_s；

声波由基板到液面的相位变化即全息声透镜到液面的相位变化为：

为声波在液态主体材料中的波数，λ_m为声波在液态主体材料中的波长，z_q为该点第q层的固化后主体材料的厚度，若该点为液态主体材料则z_q＝0，若该点为固化后的主体材料则z_q＝z_i；全息声透镜表面到基板上表面(即z＝0到z＝z₀)，物质分布均匀，声波相位无相对变化；

声波穿过基板的振幅关系式：

已知：为声波透过基板的振幅损失，基板厚度为T_B，基板的声阻抗Z_B，液态主体材料声阻抗Z_m，声波在基板中的波数，λ_B为声波在基板中波长；全息声透镜上各点振幅和换能器输出振幅的关系为：

已知：为声波透过声透镜的振幅损失，为全息声透镜上表面声波的振幅，为基板下表面的声波振幅，超声换能器输出振幅液体材料对振幅影响极小可忽略，

已知：全息声透镜材料声阻抗为Z_h，换能器表面材料声阻抗为Z_t，为声波在全息声透镜中的波数，λ_h为声波在全息声透镜中的波长，为声波在主体材料中的波数，λ_m为声波在主体材料中的波长；

声波相位改变值和全息声透镜厚度的关系：

△φ(x,y)＝(k_m-k_h)△T(x,y)

T(x,y)＝T₀-△T(x,y)

T(x,y)为全息声透镜的各个点的厚度，T₀全息声透镜的初始设定值，为已知常数，△T(x,y)全息声透镜去除的厚度值；

(b)使用高精度激光雕刻机将初始厚度为T₀的全息声透镜各点去除△T(x,y)厚度，制得各点厚度为T(x,y)的全息声透镜；

(6)超声换能器产生超声经过全息声透镜，在储液槽中形成精密超声场；

(7)步骤(2)中的喷嘴阵列喷射微量光引发剂至主体材料表面声势井附近，并在主体材料表面超声场作用下实现自动汇聚成二维图形：

主体材料表面存在精密超声场构成的声势井，喷射至声势井附近的光引发剂在超声场梯度力和散射力的共同作用下俘获于声势井中，并汇聚成二维图形；

(8)紫外灯照射普通液态树脂表面，使步骤(7)中得到的二维图形固化：紫外灯照射至主体材料表面，光引发剂在紫外灯的照射下吸收光子，发生能量交换或电子转移产生自由基或阳离子活性基团引发主体材料单体聚合固化；

(9)超声换能器、全息声透镜下降一个固化层的高度；

(10)重复步骤(7)至步骤(9)完成所需件的增材制造得到毛坯件；

(11)对步骤(10)所得的毛坯件进行清洗，去支撑和表面打磨得到最终成型件。

2.根据权利要求1所述全息超声场面自成型增材制造方法，其特征在于，所述光引发剂的粒度为0.8-1μm。

3.根据权利要求1所述的全息超声场面自成型增材制造方法，其特征在于：所述光引发剂在主体材料中的分散体积分数为2％-4％。

4.一种全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：全息声透镜安装在聚焦超声换能器上，聚焦超声换能器和基板固定在升降台上，且基板位于聚焦超声换能器上方，高精密注射泵与喷头阵列相连，喷头阵列位于储液槽上方，紫外灯位于储液槽斜上方。

5.根据权利要求4所述的全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：聚焦超声换能器工作频率大于0.5MHz。

6.根据权利要求4所述的全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：所述基板为透波材料。

7.根据权利要求6所述的全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：所述透波材料为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、环烯烃共聚物、云母、PEEK、ASA、PPS或LCP。