CN109878076A - 三维结构打印方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三维结构打印方法以及系统。所述三维结构打印方法包括步骤：获取打印对象的3D数据；根据所获取的3D数据来提供打印对象的位相结构灰度图形分布；基于所提供的位相结构灰度图形分布，使用光学位相调制器件对入射光进行位相调制，以形成打印对象的三维结构光场分布并通过其与打印材料作用，从而打印出打印对象的三维结构。本发明能够同时兼顾到打印精度、打印尺寸、打印效率及光能利用率等诸多方面。

Description

三维结构打印方法以及系统

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种三维结构打印方法以及系统。

背景技术

3D 打印技术作为前瞻性、战略性技术，其在航空航天、生物医疗、武器装备、汽车、模具等诸多领域都有重要应用。例如，在生物医疗领域，3D 打印技术为生物芯片、生化器件提供了灵活制备的新方法，亦为生物材料、人工器官领域提供了新的研究手段和平台，实现了复杂3D 载体支架制作。然而，现有的3D 打印技术在例如打印精度、打印幅面、打印效率等方面仍存在着一些不足之处，使其难以满足应用需求。

例如，就生物应用领域来讲，3D 打印技术仍未能有效解决打印精度和打印尺寸不能兼顾的问题。一方面，基于双光子或激光直写的光固化立体造型技术可实现小到0.1 微米的复杂结构打印，然而受限于打印尺寸（小于几百微米）而不适合生物芯片制作；另一方面，基于投影式的光固化立体造型技术受限于打印精度（大于30 微米）而难以满足生物芯片中微小结构的制作要求。而且，采用现有的3D 打印技术所打印出的生物芯片的表面粗糙度较大（~±2.5 微米），这给生物检测带来不便。

此外，如果采用现有的数字微反射镜（DMD）投影技术来进行3D打印，一般都使用一次性投影技术，其幅面大、要求像素尺寸大，在打印精度和打印幅面方面不能兼容。例如，如果采用振镜技术，其聚焦光斑较大，不适合用于精密的3D打印；对于双光子3D打印，虽然分辨率高，但是效率极低，只能制作微小的样品。另外，在现有的3D打印技术中，振镜、双光子方式都属于单点串行方式，存在着效率低下的问题；DMD投影、面曝光方式虽然属于并行方式，但是进行多层处理是也是串行叠加，在效率方面也存在着局限性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种三维结构打印方法以及系统，从而有效地解决了现有技术中存在的上述问题和其他方面的问题。

首先，根据本发明的第一方面，其提供了一种三维结构打印方法，其包括步骤：

A. 获取打印对象的3D数据；

B. 根据所获取的3D数据来提供打印对象的位相结构灰度图形分布；以及

C. 基于所提供的位相结构灰度图形分布，使用光学位相调制器件对入射光进行位相调制，以形成打印对象的三维结构光场分布并通过其与打印材料作用，从而打印出打印对象的三维结构。

在根据本发明的三维结构打印方法中，可选地，所述三维结构打印方法还包括在步骤C中：使所述光学位相调制器件与用于微缩的投影光学装置相结合，用以打印出具有微结构的打印对象的三维结构，所述微结构的尺寸不大于0.5mm；或者

使所述光学位相调制器件与用于放大的投影光学装置相结合，用以打印出具有大结构的打印对象的三维结构，所述大结构的尺寸不小于1m。

在根据本发明的三维结构打印方法中，可选地，在步骤B中是通过对所获取的3D数据进行函数变换处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换；或者

通过对所获取的3D数据进行分层处理，然后将已分层处理后的3D数据进行函数变换处理，以提供打印对象的位相结构灰度图形分布图像并将其进行叠加处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换。

在根据本发明的三维结构打印方法中，可选地，所述光学位相调制器件是空间光调制器件（SLM），在步骤C中是将所提供的位相结构灰度图形分布直接输入到所述空间光调制器件（SLM）以与所述入射光形成打印对象的所述三维结构光场分布；或者

所述光学位相调制器件是介质型光学位相调制器件，在步骤C中是将所提供的位相结构灰度图形分布转变成为介质表面上的台阶结构，从而形成所述介质型光学位相调制器件。

在根据本发明的三维结构打印方法中，可选地，所述位相结构灰度图形分布是被输入到激光直写装置或者电子束光刻装置上，通过图形光刻和蚀刻工艺处理而使其转变成为所述介质表面上的台阶结构。

在根据本发明的三维结构打印方法中，可选地，在步骤A中是通过构建打印对象的3D形貌分布模型、或者通过对打印对象的实物进行3D扫描来获取所述3D数据的。

在根据本发明的三维结构打印方法中，可选地，所述打印材料为包括紫外光敏树脂的光敏材料，并且在步骤C中通过光固化方式将所述光敏材料一次性打印出打印对象的三维结构。

在根据本发明的三维结构打印方法中，可选地，所述入射光包括激光，所述激光包括紫外波长的脉冲激光。

其次，根据本发明的第二方面，它还提供了一种三维结构打印系统，其包括：

第一单元，其被设置成用于提供打印对象的3D数据；

第二单元，其被设置成用于根据所述3D数据来形成打印对象的位相结构灰度图形分布；

打印装置，其提供入射光；以及

光学位相调制器件，其被设置成基于所述位相结构灰度图形分布来对所述入射光进行位相调制，以形成打印对象的三维结构光场分布，以便通过该三维结构光场分布与打印材料作用，从而使用所述打印装置一次性打印出打印对象的三维结构。

在根据本发明的三维结构打印系统中，可选地，所述三维结构打印系统还包括：

用于微缩的投影光学装置，其被设置成与所述光学位相调制器件相结合，用以打印出具有微结构的打印对象的三维结构，所述微结构的尺寸不大于0.5mm；或者

用于放大的投影光学装置，其被设置成与所述光学位相调制器件相结合，用以打印出具有大结构的打印对象的三维结构，所述大结构的尺寸不小于1m。

在根据本发明的三维结构打印系统中，可选地，所述第二单元被设置成：通过对所获取的3D数据进行函数变换处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换；或者

通过对所获取的3D数据进行分层处理，然后将已分层处理后的3D数据进行函数变换处理，以提供打印对象的位相结构灰度图形分布图像并将其进行叠加处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换。

在根据本发明的三维结构打印系统中，可选地，所述光学位相调制器件是空间光调制器件（SLM），其用于直接接收所提供的位相结构灰度图形分布以与所述入射光形成打印对象的三维结构光场分布；或者

所述光学位相调制器件是介质型光学位相调制器件，其是通过将所提供的位相结构灰度图形分布转变成为介质表面上的台阶结构而形成。

在根据本发明的三维结构打印系统中，可选地，所述三维结构打印系统还包括：

建模单元，其被设置成用于构建打印对象的3D形貌分布模型以提供所述3D数据；或者

3D扫描装置，其被设置成用于对打印对象的实物进行3D扫描以提供所述3D数据。

基于完全不同于与现有技术的设计思想，本发明创新性地提供了三维结构打印方法以及系统，其至少能够提供例如以下这些积极且相当显著的技术优势：

首先，与以往的三维打印技术需要进行若干分层打印不同，本发明通过进行位相结构调制而将入射光变换形成打印对象的三维结构光场，然后通过例如紫外光敏树脂等打印材料能够一次性打印出打印对象的三维结构形貌；

其次，本发明不需要针对3D数据进行分层处理和填充处理，从而使得数据处理前移，有效提高了三维结构形貌的打印效率；

另外，由于本发明中的三维结构光场分布是连续的，因此没有现有技术中采用分层打印的断层结构，从而使得打印质量获得了极大提升，而且可以同时兼顾到打印精度和打印尺寸，能够高质量地打印出具有微结构或大结构的三维结构形貌；

此外，与传统的利用DMD技术进行振幅调制的三维投影型3D打印技术不同，由于本发明中的三维结构光场分布是位相调制的，其通过光衍射和干涉效应而促使光场重新分布，将大部分光能集中在所需要的图形区域，因此光场分布的光能损失很小，光能利用率非常高，能够比现有的3D打印技术至少提高一个量级。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1是一个根据本发明的三维结构打印方法实施例的基本流程示意图。

图2是一个根据本发明的三维结构打印系统实施例的组成示意图。

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的三维结构打印方法以及系统的具体步骤、组成、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，对于在本文所提及的实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，本发明仍然允许在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或者删减，从而形成可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。

请参阅图1，在该附图中示例性地大致示出了一个根据本发明的三维结构打印方法实施例的基本处理流程，下面将结合该实施例来进行详细说明。

在这个给出的示例中，该三维结构打印方法包括以下这些步骤：

首先，需要获取打印对象的3D数据，通过这样的3D数据可以形成打印对象的3D形貌分布。作为举例说明，本发明中可以通过使用例如3DMax、MAYA、SOFTIMAGE等建模工具来构建打印对象的3D形貌分布模型，从而获得相应的3D数据，或者也可以采用针对打印对象的实物进行3D扫描的方式来获取上述的3D数据。当然，在具体应用情形下，打印对象的3D数据也有可能是基于数据计算处理等方式直接生成的、或者由用户等直接提供的。事实上，本发明完全允许采用任何一种或多种可能的方式来提供打印对象的3D数据。

接下来，将会根据所获取的打印对象的3D数据来提供打印对象的位相结构灰度图形分布。具体来讲，在可选的情形下，基于上述3D数据，可以针对其进行函数变换处理，以便生成该打印对象的位相结构灰度图形分布，这样的函数变换处理包括但不局限于迭代傅里叶变换、快速傅里叶变换等。此外，在可选的情形下，也可以通过先针对3D数据进行分层处理，然后再将分层处理过的3D数据进行如上所述的函数变换处理，以此来生成打印对象的位相结构灰度图形分布图像，接着再将这些位相结构灰度图形分布图像进行叠加处理，从而生成该打印对象的位相结构灰度图形分布。应当理解，以上所提及内容仅为示例性说明，本发明实际上可以采用任何其他的适宜方式来基于打印对象的3D数据形成相应的位相结构灰度图形分布。

然后， 基于已获得的位相结构灰度图形分布，在本发明中将会创新性地使用光学位相调制器件来对入射光进行位相调制处理，以便形成打印对象的三维结构光场分布，通过这样的三维结构光场分布使其与打印材料相互作用，从而可以尤其采用一次性打印方式将打印对象的三维结构高精度、高质量地打印出来。由于本发明中的光场是采用位相调制处理的，其光场分布是连续的而没有断层结构，并且光能被集中于所需要的图形区域中而使得光能损失相当小，光能利用率能够比现有方式至少提高一个量级。

关于上述的光学位相调制器件，在实际应用场合下可以具有多种不同的选择。举例而言，该光学位相调制器件可以采用例如LCOS等空间光调制器件（SLM），在使用时将所得到的位相结构灰度图形分布直接输入到此类空间光调制器件，以便与入射光形成打印对象的三维结构光场分布。再如，该光学位相调制器件也可以采用介质型光学位相调制器件（例如石英衬底或者氧化锆、氧化钬等其他硬质衬底），通过将所得到的位相结构灰度图形分布转变成为介质表面上的台阶结构来形成此类介质型光学位相调制器件，这可以通过例如将位相结构灰度图形分布输入到激光直写装置或电子束光刻装置等上，通过图形光刻和蚀刻工艺处理来形成介质表面上的台阶结构。在使用时，上述的介质型光学位相调制器件将可以对入射光进行衍射调制，从而在远场干涉并投影形成三维空间结构分布，以便用来打印出打印对象的三维结构形貌。

需要指出的是，考虑到各种打印对象的不同尺寸特性，根据本发明的三维结构打印方法还允许进一步可选地使用具有微缩或放大处理功能的投影光学装置，通过将其与光学位相调制器件进行结合来更充分地发挥出本发明所具备的技术优势。

例如，根据一些应用情形，可以考虑将光学位相调制器件与用于微缩的投影光学装置进行结合，从而形成了针对具有微结构的打印对象进行3D打印的能力，即可以由此高效且高精度地打印出具有微结构的打印对象的三维结构，这样的微结构尺寸可以实现不大于0.5mm，即单次三维打印的长、宽或高均可控制在0.5mm以内，因此可打印出的三维微结构持续缩小了100倍以上。当打印激光处于紫外波长时（例如193nm、248nm、266nm、355nm等），根据本发明进行3D打印出的微结构的分辨率可以达到0.1um-1um，从而能够实现相当高的打印精度。

又如，根据另外一些应用情形，也可以考虑将光学位相调制器件与用于放大的投影光学装置进行结合，，从而形成了针对具有大结构的打印对象进行3D打印的能力，这样的大结构尺寸是指不小于1m，即单次三维打印的长、宽或高可达米级或以上。在针对具有空间大尺寸的打印对象进行打印时，可以选择高功率的激光装置来进行打印，由于在本发明中不需重复分层扫描三维结构，因此在保证了具备相当大的打印尺寸能力的情况下，其打印效率也明显优于现有的3D打印技术，同时打印精度也获得了显著提高。

在本三维结构打印方法中，它是通过对入射光进行位相结构调制处理来实现光场变换从而形成三维结构光场，借助于该三维结构光场与打印材料相互作用来打印出具有三维形貌的器件或装置等。其中，对于打印材料来讲，其可以选择例如紫外光敏树脂的光敏材料，以便可以通过光固化方式将光敏材料一次性打印出打印对象的三维结构。可以理解的是，本发明显然也允许选用任何其他的适宜材料来作为打印材料。

对于入射光来讲，其优先选用激光，这样激光包括但不局限于紫外波长的脉冲激光。作为举例说明，在使用时，对于具有低功率需求的光敏材料，可以例如选择405nm波长的激光光源；对于具有高功率需求的光敏材料或者介质材料，可以例如选择紫外波长的脉冲激光光源或者连续波的激光光源，其波长例如可以是193nm、248nm、266nm或355nm。

本发明还相应地提供了一种三维结构打印系统。在图2中示意性地图示出了一个三维结构打印系统实施例的组成。在这个实施例中，该三维结构打印系统包括第一单元1、第二单元2、光学位相调制器件3、打印装置4。另外，在图2中还同时示出了作为可选组成部分的建模单元5和3D扫描装置6。以下将结合这个示范性的实施例来对本发明的三维结构打印系统进行具体说明。

对于第一单元1，它是被设置成用于提供打印对象的3D数据。如图2所示，这样的3D数据可以是经由建模单元5或/和3D扫描装置6来提供的。即，可以通过建模单元5来构建打印对象的3D形貌分布模型以提供3D数据，也可以通过3D扫描装置6用于对打印对象的实物进行3D扫描来提供3D数据。如之前在讨论本发明方法时已经指出的，第一单元1也有可能是直接接受来自于用户、基于数据计算处理等方式生成打印对象的3D数据，其实际上被允许采用任何一种或多种可能的方式来提供3D数据。

对于第二单元2，它是被设置成用于根据上述的3D数据来提供打印对象的位相结构灰度图形分布。举例而言，可以将该第二单元2设置成通过对3D数据进行函数变换处理来提供位相结构灰度图形分布。再如，还可以将该第二单元2设置成通过先针对3D数据进行分层处理，然后将经过分层处理后的3D数据进行函数变换处理来生成打印对象的位相结构灰度图形分布图像，再将这些位相结构灰度图形分布图像进行叠加处理，从而提供位相结构灰度图形分布。关于上述的函数变换处理等内容，可以参阅前述部分的相应描述，在此不再赘述。

对于光学位相调制器件3，它是被设置成基于由第二单元2所提供的位相结构灰度图形分布来对入射光进行位相调制，以便形成打印对象的三维结构光场分布，该三维结构光场分布将被用来与打印材料进行作用来生成对象的三维结构。在可选的情形下，在本发明系统中还可以进一步设置用于微缩的投影光学装置或者用于放大的投影光学装置，通过将它们与光学位相调制器件3进行结合，以便分别适于打印出具有微结构或者大结构的打印对象的三维结构，从而使得本发明的打印范围相当广、适宜性强。由于在前文中已经针对光学位相调制器件、投影光学装置、微结构、大结构等诸多方面都进行了非常详细的举例性说明，因此可以结合参考这些前述内容，在此不再重复说明。

对于打印装置4，它是被设置成提供入射光，用以与打印材料作用来进行打印操作。这样的入射光可以选用激光，该激光包括但不局限于紫外波长的脉冲激光。关于入射光、打印材料等方面的具体内容，请参阅前述部分的相应说明，在此也不再赘述。

由于根据本发明的技术方案能够同时兼顾到打印精度、打印尺寸、打印效率、光能利用率等诸多方面，解决了如前所述的在本领域中长期存在且一直未能获得解决的技术难题，因此非常适合将本发明的三维结构打印方法以及系统广泛应用到诸如航空航天、生物医疗、武器装备、汽车、模具等众多领域，以便充分发挥本发明所具备的这些明显优于现有3D打印技术的技术优势。

以上仅以举例方式来详细阐明本发明的三维结构打印方法以及系统，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。

Claims (13)

1.一种三维结构打印方法，其特征在于，所述三维结构打印方法包括步骤：

A. 获取打印对象的3D数据；

B. 根据所获取的3D数据来提供打印对象的位相结构灰度图形分布；以及

C. 基于所提供的位相结构灰度图形分布，使用光学位相调制器件对入射光进行位相调制，以形成打印对象的三维结构光场分布并通过其与打印材料作用，从而打印出打印对象的三维结构。

2.根据权利要求1所述一种三维结构打印方法，其特征在于，所述三维结构打印方法还包括在步骤C中：使所述光学位相调制器件与用于微缩的投影光学装置相结合，用以打印出具有微结构的打印对象的三维结构，所述微结构的尺寸不大于0.5mm；或者

使所述光学位相调制器件与用于放大的投影光学装置相结合，用以打印出具有大结构的打印对象的三维结构，所述大结构的尺寸不小于1m。

3.根据权利要求1所述一种三维结构打印方法，其特征在于，在步骤B中是通过对所获取的3D数据进行函数变换处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换；或者

通过对所获取的3D数据进行分层处理，然后将已分层处理后的3D数据进行函数变换处理，以提供打印对象的位相结构灰度图形分布图像并将其进行叠加处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换。

4.根据权利要求1所述一种三维结构打印方法，其特征在于，所述光学位相调制器件是空间光调制器件（SLM），在步骤C中是将所提供的位相结构灰度图形分布输入到所述空间光调制器件（SLM）以与所述入射光形成打印对象的所述三维结构光场分布；或者

所述光学位相调制器件是介质型光学位相调制器件，在步骤C中是将所提供的位相结构灰度图形分布转变成为介质表面上的台阶结构，从而形成所述介质型光学位相调制器件。

5.根据权利要求4所述一种三维结构打印方法，其特征在于，所述位相结构灰度图形分布是被输入到激光直写装置或者电子束光刻装置上，通过图形光刻和蚀刻工艺处理而使其转变成为所述介质表面上的台阶结构。

6.根据权利要求1-5中任一项所述一种三维结构打印方法，其特征在于，在步骤A中是通过构建打印对象的3D形貌分布模型、或者通过对打印对象的实物进行3D扫描来获取所述3D数据的。

7.根据权利要求1-5中任一项所述一种三维结构打印方法，其特征在于，所述打印材料为包括紫外光敏树脂的光敏材料，并且在步骤C中通过光固化方式将所述光敏材料一次性打印出打印对象的三维结构。

8.根据权利要求1-5中任一项所述一种三维结构打印方法，其特征在于，所述入射光包括激光，所述激光包括紫外波长的脉冲激光。

9.一种三维结构打印系统，其特征在于，所述三维结构打印系统包括：

第一单元，其被设置成用于提供打印对象的3D数据；

第二单元，其被设置成用于根据所述3D数据来提供打印对象的位相结构灰度图形分布；

打印装置，其提供入射光；以及

光学位相调制器件，其被设置成基于所述位相结构灰度图形分布来对所述入射光进行位相调制，以形成打印对象的三维结构光场分布，以便通过该三维结构光场分布与打印材料作用，从而使用所述打印装置打印出打印对象的三维结构。

10.根据权利要求9所述一种三维结构打印系统，其特征在于，所述三维结构打印系统还包括：

用于微缩的投影光学装置，其被设置成与所述光学位相调制器件相结合，用以打印出具有微结构的打印对象的三维结构，所述微结构的尺寸不大于0.5mm；或者

用于放大的投影光学装置，其被设置成与所述光学位相调制器件相结合，用以打印出具有大结构的打印对象的三维结构，所述大结构的尺寸不小于1m。

11.根据权利要求9所述一种三维结构打印系统，其特征在于，所述第二单元被设置成：通过对所获取的3D数据进行函数变换处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换；或者

通过对所获取的3D数据进行分层处理，然后将已分层处理后的3D数据进行函数变换处理，以提供打印对象的位相结构灰度图形分布图像并将其进行叠加处理来提供所述位相结构灰度图形分布，该函数变换包括迭代傅里叶变换。

12.根据权利要求9所述一种三维结构打印系统，其特征在于，所述光学位相调制器件是空间光调制器件（SLM），其用于直接接收所提供的位相结构灰度图形分布以与所述入射光形成打印对象的三维结构光场分布；或者

所述光学位相调制器件是介质型光学位相调制器件，其是通过将所提供的位相结构灰度图形分布转变成为介质表面上的台阶结构而形成。

13.根据权利要求9-12中任一项所述一种三维结构打印系统，其特征在于，所述三维结构打印系统还包括：

建模单元，其被设置成用于构建打印对象的3D形貌分布模型以提供所述3D数据；或者

3D扫描装置，其被设置成用于对打印对象的实物进行3D扫描以提供所述3D数据。