CN106821543A - 具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置。装置包含声表面波换能器、光预聚物、紫外固化灯和电动Z轴滑台，声表面波换能器沿圆周阵列分布，光预聚物置于换能器工作区域，紫外固化灯位于换能器下方以照射光预聚物，电动Z轴滑台位于上方以粘附单层微结构；声表面波换能器激发出不同超声能场，光预聚物表面产生周期性形貌，紫外固化灯照射光预聚物固化，获得具有周期性形貌的单层微结构，通过电动Z轴滑台的抬升运动粘附多个单层微结构，实现三维微结构成形。本发明能快速制造出三维微结构，不需要掩膜版和模具，并且对设备要求较低，具有操作简单、成本低和效率高的特点。

Description

具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置

技术领域

本发明涉及快速成形技术，尤其涉及一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置。

技术领域

随着科学研究对材料要求的日益提高，有复杂空间形貌的三维微结构具有非常广泛的研究空间与应用价值。由于其密度低、力学性能好及结构特殊等优势，采用高分子材料制造的三维微结构在许多方面可以替代常规金属。例如，选用陶瓷和高分子聚合物作为人体骨骼仿生材料，可以制造出类似骨松质和骨密质的空间微孔，在部分场合来替代常规的钛合金骨骼。将三维多孔材料作为载体进行催化剂涂覆，能有效增加反应面积，因而大大提高反应速率。此外，采用生物功能材料制作的三维微结构可以模拟细胞生长的天然环境，因此在器官芯片、药物筛选和细胞疗法等研究方面具有重要作用。

广泛采用的制造微结构的方法有光刻、微压印和三维打印等。由于制造精度高和工艺成熟，光刻在微机电系统(MEMS)领域有不可替代的作用。微压印，也是基于光刻技术发展而来。光刻和微压印的绝对优势是制造精度高，但是受制造原理的制约，这两种方法只适合制造二维微结构。3D打印可用于制造三维微结构，并且在生物医学和能源领域已有了广泛的应用。3D打印是一种层叠制造，因此微米尺度的阶梯效应是无法避免的。此外，上述三种方法对机器设备和制造环境条件的要求很高，因而增加了制造成本。另外一点，上述方法都需要使用物理模具，比如掩膜版，尤其是光刻，所以在制造每一种微结构之前，都需要制作对应的掩膜版，因而制造周期较长，方法和设备的灵活性也因此受到制约。对于3D打印，弱化阶梯效应的有效途径就是减小层厚，而带来负面影响就是更高设备要求和更长制造周期。

综上所述，现有技术中缺少了一种快速、精度高、成本低和灵活性高的三维微结构制造装置和方法。

发明内容

为解决常规微结构制造方法和设备存在的问题，利用超声能场作用下微流体表面产生形态变化这一物理规律，结合紫外光固化技术，本发明提出了一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置。

本发明利用多对声表面波换能器激发的超声能场，使光预聚物表面产生周期性形貌，通过调节超声能场的频率、幅值以及叠加数量，改变表面形貌的周期、高度、出现区域以及分布特征，然后利用紫外光照射固化进行单层微结构制造，最后通过垂直于成形平面的方向的叠加实现三维微结构的快速成形。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法，包括以下各步骤：

1)在光学隔振平台上放置至少三对声表面波换能器，至少三对声表面波换能器在沿圆周方向呈等间隔阵列布置，圆周的中心作为声表面波换能器的工作区域，声表面波换能器朝向圆周的中心发射超声波以产生超声能场，

2)将光预聚物均匀涂覆在声表面波换能器的工作区域，将驱动装置与声表面波换能器相连，调节驱动装置的输出参数使换能器朝在工作区域激发稳定的超声能场，光预聚物的上表面在超声能场作用下产生稳定分布的周期性形貌；

3)采用紫外固化灯照射稳定分布周期性形貌的光预聚物，获得具有周期性形貌的单层微结构；

4)位于工作区域上方的电动Z轴滑台下降，将步骤3)获得的单层微结构上表面粘附到电动Z轴滑台上的粘板底面，再上升使得单层微结构和工作区域分离，从而制造获得具有周期性形貌的单层微结构；

5)重复上述步骤3)和4)实现多层周期性形貌的单层微结构的连续制造，从而实现三维微结构快速成形。

所述步骤2)中，通过调节驱动装置的输出频率、振幅和相位以及每对声表面波换能器的工作状态进而参数化调节声表面波换能器激发产生的超声能场，改变光预聚物上表面形成的周期性形貌，具体从以下四个方面进行调整：

通过调整输出频率调节超声能场的周期性，进而改变周期性形貌中的重复结构的分布周期；

通过调整输出电压调节超声能场的强度，进而改变周期性形貌的高度；

通过调整相位调节超声能场的相位，进而改变周期性形貌整体在工作区域的成形位置；

通过独立控制每对声表面波换能器的工作状态，调节超声能场的多维叠加以及工作区域中区域的选择性激发，进而调整周期性形貌的形貌分布规律和形貌成形区域。

所述单层微结构能够成形的周期性形貌的种类根据声表面波换能器的超声能场种类而定，不考虑相位对相对位置的调整(即周期性形貌整体在工作区域的成形位置)时产生的超声能场种类有s种：

其中，N表示声表面波换能器对的总数，N≥3，i表示声表面波换能器对的序数，C为排列组合计算中的组合数。

二、一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形装置：

所述装置置于光学隔振平台上，装置包括置于光学隔振平台上的电动Z轴滑台、至少三对声表面波换能器、紫外固化灯，至少三对声表面波换能器置于水平透明板上，并在透明压电晶片上沿圆周方向呈等间隔阵列布置，光预聚物置于压电晶片的中心区域，声表面波换能器朝向圆周的中心发射超声波以产生超声能场，光预聚物受到超声能场作用形成立体的周期性形貌；紫外固化灯安装在声表面波换能器下方并朝向换能器，用于使得超声能场激发形成光预聚物形成的立体周期性形貌固化成三维微结构；电动Z轴滑台位于声表面波换能器上方，用于粘附水平透明板上制成的三维微结构。

所述的声表面波换能器包括压电晶片和金属电极，压电晶片置于水平透明板上，无色透明的压电晶片中间涂有光预聚物，金属电极在压电晶片上沿圆周方向呈等间隔阵列布置，金属电极采用叉指电极，两侧相对称的两个金属电极及其正下方的压电晶片形成一对声表面波换能器。

所述的紫外固化灯发射的紫外光依次穿过水平透明板和无色透明的压电晶片后照射到光预聚物上，使得光预聚物受超声能场激发形成的立体周期性形貌固化。

所述的光预聚物为以聚乙二醇二丙烯酸酯为基底的生物材料，或者环氧树脂为基底的非生物材料。

金属电极直接与驱动装置相连。

本发明具有的有益效果是：

(1)通过独立控制N对换能器的输出频率、幅值、相位以及开启或关闭的工作状态，可以制造具有不同周期、高度、相对位置和出现区域的不同分布特征单层微结构。通过结合Z轴运动，可以实现三维微结构的快速成形。

(2)利用超声能场作用下微流体表面产生形态变化这一物理规律，结合紫外光固化技术，本发明可以制造具有光滑连续的微结构，并且是一步成形，具有成形精度高和制作效率高的特点，精度可达微米级别。

(3)本发明所用设备简单，并且装置具有较高的灵活性，因此制造成本较低。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

图2是声表面波换能器俯视图图，以三对为例。

图3是开启一对换能器制造的单层微结构。

图4是开启两对换能器制造的单层微结构。

图5是开启三对换能器制造的单层微结构。

图6是多层叠加后的三维微结构。

图中1.电动Z轴滑台，2.声表面波换能器，3.紫外固化灯，4.压电晶片；5.金属电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，装置置于光学隔振平台上，装置包括置于光学隔振平台上的电动Z轴滑台1、至少三对声表面波换能器2、紫外固化灯3，至少三对声表面波换能器2置于水平透明板上，换能器在无色透明的压电晶片4上沿圆周方向呈等间隔阵列布置，光预聚物置于无色透明的压电晶片4中心，声表面波换能器2朝向圆周的中心发射超声波以产生超声能场，光预聚物受到超声能场作用形成立体的周期性形貌；紫外固化灯3安装在声表面波换能器2下方并朝向超声能场，用于使得超声能场激发形成光预聚物形成的立体周期性形貌固化成三维微结构；电动Z轴滑台1位于声表面波换能器2上方，用于粘附水平透明板上制成的三维微结构。

如图2所示，声表面波换能器2包括压电晶片4和金属电极5，无色透明的压电晶片4置于水平透明板上，光预聚物涂敷在压电晶片4的中间区域，金属电极5在压电晶片4上沿圆周方向呈等间隔阵列布置，金属电极5采用叉指电极，两侧相对称的两个金属电极5及其正下方的压电晶片4形成一对声表面波换能器2。

本发明的实施例及其实施过程如下：

首先，制造如下：

(1)根据声表面波换能器的对数、声孔径、电极数量等参数设计制作铬掩膜版，掩膜版中换能器区域为透光部分，其它区域不透光；

(2)选用128°Y切向的铌酸锂(LiNbO₃)压电晶片4，在光刻之前，采用匀胶机在LiNO₃晶片上旋涂一层正性光刻胶，然后在100℃条件下进行烘干。然后采用双面对准光刻机在预先设计的掩膜版的附着下进行曝光，单次曝光时长1.7s。在放置LiNO₃晶片时，一定要确保晶片的正方向与掩膜版的正方向一致，并尽可能的做到对准。曝光结束后，同需要进行100℃条件下的烘干。烘干之后，进行显影并晾干。

(3)金属电极5材料为铝，采用磁控溅射机在有光刻胶图案排布的LiNO₃晶片沉积一层铝。溅射金属铝的真空度要求为首先达到10^-3Pa，然后通入氩气，使真空度达到0.5Pa，溅射电流为0.8A，溅射时间为20分钟。

(4)依次采用丙酮和无水乙醇对晶片进行浸泡，去除残留的光刻胶及附着在光刻胶表面的铝膜，获得声表面波换能器。

(5)将声表面波换能器2，和购买模块化的电动Z轴滑台1和紫外固化灯3按照图1中的顺序进行安装。

接着，三维微结构快速成形过程如下：

(1)将具有超声能场辅助的三维微结构快速成形装置放置于光学隔振平台上，并将光预聚物均匀涂覆在无色透明的压电晶片中央，使其液面平坦；

(2)将驱动装置与声表面波换能器相连，调节驱动装置的输出频率、振幅和相位，使换能器激发稳定的超声辐射力场，光预聚物表面在超声能场作用下产生稳定分布的周期性形貌；

(3)采用紫外固化灯照射已产生稳定分布的周期性形貌的光预聚物，使其发生固化，获得具有周期性形貌的单层微结构，通过超声能场的控制使得单层微结构的高度最低能到达微米级别；

(4)对于单层微结构，开启一对换能器，可以制造如图3所示的单层微结构，开启两对换能器，可制造如图4所示的单层微结构，开启三对换能器，可以制造如图5所示的单层微结构；

(5)进行具有不同周期性形貌的单层微结构的连续制造，通过电动Z轴滑台的下降和抬升运动将具有不同周期性形貌的单层微结构粘附再一起，将单层微结构层叠形成多层构成的三维结构，从而实现了三维微结构的快速成形，效果如图6所示。

本实例用了三对声表面波换能器，可以对微阵列的周期、高度、产生区域和相对位置进行调节，实际应用中，可以用N对(N≥3)声表面波换能器搭建装置，可根据需要制造更复杂的三维微结构。

Claims (7)

1.一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法，其特征在于方法包括以下各步骤：

1)在光学隔振平台上放置至少三对声表面波换能器，至少三对声表面波换能器在圆周方向呈等间隔阵列布置，圆周的中心作为声表面波换能器的工作区域，声表面波换能器朝向圆周的中心发射超声波以产生超声能场；

2)将光预聚物均匀涂覆在声表面波换能器的工作区域，将驱动装置与声表面波换能器相连，调节驱动装置的输出参数使声表面波换能器在工作区域激发稳定的超声能场，光预聚物的上表面在超声能场作用下产生稳定分布的周期性形貌；

3)采用紫外固化灯照射光预聚物，获得具有周期性形貌的单层微结构；

4)位于工作区域上方的电动Z轴滑台下降，将步骤3)获得的单层微结构上表面粘附到电动Z轴滑台上的粘板底面，再上升使得单层微结构和工作区域分离，从而制造获得具有周期性形貌的单层微结构；

5)重复上述步骤3)和4)实现多层周期性形貌的单层微结构的连续制造，从而实现三维微结构快速成形。

2.根据权利要求1所述的一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法，其特征在于：所述步骤2)中，通过调节驱动装置的输出频率、振幅和相位以及每对声表面波换能器的工作状态进而参数化调节声表面波换能器激发产生的超声能场，改变光预聚物上表面形成的周期性形貌，具体从以下四个方面进行调整：

通过调整输出频率调节超声能场的周期性，进而改变周期性形貌中的重复结构的分布周期；

通过调整输出电压调节超声能场的强度，进而改变周期性形貌的高度；

通过调整相位调节超声能场的相位，进而改变周期性形貌整体在工作区域的成形位置；

通过独立控制每对声表面波换能器的工作状态，调节超声能场的多维叠加以及工作区域中区域的选择性激发，进而调整周期性形貌的形貌分布规律和形貌成形区域。

3.根据权利要求1所述的一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法，其特征在于：所述单层微结构能够成形的周期性形貌的种类根据声表面波换能器的超声能场种类而定，产生的超声能场种类有s种：

$s=N+\underset{i=2}{\overset{N}{\Σ}}{C}_N^i$

其中，N表示声表面波换能器对的总数，N≥3，i表示声表面波换能器对的序数，C为排列组合计算中的组合数。

4.一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形装置，其特征在于：所述装置置于光学隔振平台上，装置包括置于光学隔振平台上的电动Z轴滑台(1)、至少三对声表面波换能器(2)、紫外固化灯(3)，至少三对声表面波换能器(2)置于水平透明底板上，并沿圆周呈等间隔阵列布置，光预聚物涂敷在中央区域，声表面波换能器(2)朝向圆周的中心发射超声波以产生超声能场，光预聚物受到超声能场作用形成立体的周期性形貌；紫外固化灯(3)安装在声表面波换能器(2)下方并朝向超声能场，用于使得超声能场激发形成光预聚物形成的立体周期性形貌固化成三维微结构；电动Z轴滑台(1)位于声表面波换能器(2)上方，用于粘附水平透明板上制成的三维微结构。

5.根据权利要求4所述的一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形装置，其特征在于：所述的声表面波换能器(2)包括压电晶片(4)和金属电极(5)，无色透明的压电晶片(4)置于水平透明板上，光预聚物涂敷在压电晶片(4)的中央区域，在压电晶片(4)边缘周围沿圆周等间隔阵列布置金属电极(5)，金属电极(5)采用叉指电极，两侧相对称的两个金属电极(5)及其正下方的压电晶片(4)形成一对声表面波换能器(2)。

6.根据权利要求4所述的一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形装置，其特征在于：所述的紫外固化灯(3)发射的紫外光依次穿过水平透明板和无色透明的压电晶片(4)后照射到光预聚物上，使得光预聚物受超声能场激发形成的立体周期性形貌固化。

7.根据权利要求4所述的一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形装置，其特征在于：所述的光预聚物为以聚乙二醇二丙烯酸酯为基底的生物材料，或者环氧树脂为基底的非生物材料。