CN111688184A - 一种具有自运输性能的表面微结构阵列及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有自运输性能的表面微结构阵列及其成型方法。该表面微结构阵列的单个微结构为仿鲨鱼鳞片结构，该结构呈三角状凸起，材料为光敏树脂，尺寸为微米级；微结构表面分布有纳米颗粒，与仿鲨鱼鳞片结构形成微米/纳米复合结构；在成型件目标面上均布多个复合结构，即构成表面微结构阵列。该表面微结构阵列的成型方法，是利用一套电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统，并遵循一定的步骤来完成其制备。本发明所述的表面微结构阵列，可实现冷凝液滴的自运输，提高冷凝效率；本发明所述成型方法通过电磁辅助振动装置的高频振动，减少纳米颗粒团聚，实现其均匀分布，提高成型精度与成型质量；成型系统移动平台可沿Y轴、X轴方向水平直线运动，扩大了成型层面面积与成型件尺寸，减少成型时间，提高成型效率。

Description

一种具有自运输性能的表面微结构阵列及其成型方法
技术领域
本发明属于表面改性及3D打印成型技术领域，尤其是涉及一种具有抗菌性能的生物培养皿内壁微结构阵列及其成型方法。
背景技术
近年来，随着工业生产过程中节能减排和可持续发展要求的不断提高，冷凝水收集与循环再利用的在化工、冶金、机械等领域的重要性日益凸显。根据表面润湿性的不同，冷凝过程主要分为膜状冷凝和滴状冷凝，其中，后者的传热速率是前者的几倍甚至十几倍。文献调研表明，在管道或器件表面构建具有超疏水性能的功能表面，是实现滴状冷凝的有效手段之一。然而，目前多数超疏水功能表面只能防止冷凝液滴在其表面凝结成冰，并不能使液滴快速脱离表面，影响了冷凝效率；同时，功能表面上的微结构成型困难，成型效率不高；上述两点成为制约该技术应用和发展的瓶颈。
发明内容
针对上述现有超疏水功能表面的冷凝效率不高、功能表面微结构成型困难、成型效率低等技术问题，面向树脂基管道或器件，本发明旨在提供一种具有自运输性能的的表面微结构阵列及其成型方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：参见附图1～4，所述的具有自运输性能的表面微结构阵列的单个微结构为仿鲨鱼鳞片结构，该结构呈三角状凸起，材料为光敏树脂，其横向尺寸、纵向尺寸、高度、间距等均为微米级；凸起微结构尾部相对于管道内壁或器件表面向上倾斜约25°～30°；在微结构的表面，分布有纳米颗粒，从而与仿鲨鱼鳞片结构形成微米/纳米复合结构；在成型件目标面上均布多个上述复合结构，即构成表面微结构阵列。
所述的具有自运输性能的表面微结构阵列的成型方法，是利用一套电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统，并遵循一定的步骤来完成其制备。
所述的电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统，具有大理石底座。所述的大理石底座，由下至上分别设置有Y轴滑轨、X轴滑轨、移动平台。其中，移动平台可在Y轴滑轨与X轴滑轨上，分别沿Y轴与X轴方向水平直线运动。
所述的移动平台两侧，分别设置有Z1轴滑轨、Z2轴滑轨。
所述的Z1轴滑轨上设置有底板。所述的底板，可在Z1轴滑轨上，沿Z1轴方向上下运动。所述的底板，由下至上分别设置有电磁辅助振动装置、树脂槽。所述的电磁辅助振动装置包括隔磁套、衔铁、板弹簧、铁芯、线圈。所述的树脂槽当中盛有光敏树脂，且所述的光敏树脂当中掺入含量为10%纳米颗粒。
所述的Z2轴滑轨上设置有成型平台。所述的成型平台，可在Z2轴滑轨上，沿Z2轴方向上下运动。所述的成型平台之上，支撑有光敏树脂经面投影曝光、固化后得到的成型件。
所述的树脂槽上部，从右至左分别设置有光机、掩膜板、CCD摄像头、45°反射镜、物镜。
所述的树脂槽右侧，设置有电脑PC。
为实现所述的具有自运输性能的表面微结构阵列的成型，本发明所遵循的步骤为：
将具有表面微结构阵列的成型件的三维CAD模型，采用分层软件按照一定的厚度进行切片，每一层切片被转化为位图文件，每个位图文件被输入到所述的掩模板上。从所述的光机射出的光束被掩模板图形整形后包含了待固化层面的图像信息，接着经所述的45°反射镜反射和物镜聚焦，曝光到所述的树脂槽中的光敏树脂液面上，从而得到所需图形的固化层面。当一个层面固化完后，已固化的层面随所述的成型平台向下运动沉入所述的光敏树脂中，并保证已固化层面上覆盖的树脂厚度恰好等于下一个待加工的层厚。重复上面的曝光过程，直至所有层面曝光完毕。所述的CCD摄像头用于监测每一层面的成型固化过程。
为减少成型过程中所述的纳米颗粒出现团聚现象，所述的树脂槽下部设置有所述的电磁辅助振动装置。对所述的线圈通半波整流的脉冲电流，正半波时电流将所述的铁芯磁化，形成电磁铁并吸引所述的衔铁，从而带动所述的树脂槽向下运动；负半波时电流消失，所述的树脂槽在所述的板弹簧的作用下回到原位。如此循环，实现了所述的树脂槽的上下振动。其中，所述的电磁辅助振动装置外部设置有所述的隔磁套，用以防止电磁辐射对外界的干扰。
所述的移动平台下部设置有所述的X轴滑轨、Y轴滑轨，所述的树脂槽可沿X轴、Y轴方向运动，可实现同一树脂液面不同位置的曝光，从而完成一个平面上多个图像的拼接以成型较大层面。
所述的掩模板图形的输入、CCD摄像头的监测、电磁辅助振动装置和树脂槽经底板带动在所述的Z1轴滑轨的上下运动、成型平台在Z2轴滑轨的上下运动、移动平台在Y轴滑轨与X轴滑轨上沿Y轴与X轴方向的水平直线运动，均由所述的电脑PC控制。
完成所述的整个成型件的制备之后，采用丙酮溶液浸泡成型件，对其进行微量腐蚀，使其表面的纳米颗粒露出，从而形成具有自运输性能的微米/纳米复合结构阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）在仿鲨鱼鳞片结构的表面分布有纳米颗粒，形成微米/纳米复合结构；多个微米/纳米复合结构均布，形成微结构阵列；凸起微结构尾部相对于管道内壁或器件表面向上倾斜约25°～30°，冷凝液滴因重力凝聚并沿坡道滑行，从而实现液滴的自运输，提高冷凝效率；（2）通过电磁辅助振动装置产生高频振动，利用其空化作用所产生的冲击波和微射流所具有的粉粹作用，达到分散纳米颗粒、减少团聚现象，并实现纳米颗粒均布的目的，从而提高成型精度与成型质量；（3）移动平台下部设置有Y轴滑轨与X轴滑轨，可沿Y轴与X轴方向水平直线运动，从而实现一个平面上多个图像的拼接以成型较大层面，可扩大成型层面面积、成型件与微结构阵列的尺寸，从而减少成型时间，提高成型效率。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统的整体结构示意图，图2为本发明具体实施方式中电磁辅助振动装置的结构示意图，图3为本发明具体实施方式中成型件目标面微结构阵列示意图，图4为本发明具体实施方式中仿鲨鱼鳞片结构示意图。
以上图1至图4中的标示为：1、大理石底座，2、Y轴滑轨，3、移动平台，4、底板，5、Z1轴滑轨，6、树脂槽，7、光敏树脂，8、成型件，9、物镜，10、45°反射镜，11、CCD摄像头，12、光束，13、掩膜板，14、光机，15、成型平台，16、Z2轴滑轨，17、纳米颗粒，18、电磁辅助振动装置，19、电脑PC，20、X轴滑轨，21、隔磁套，22、衔铁，23、板弹簧，24、铁芯，25、线圈，26、成型件目标面微结构阵列，27、成型件目标面；28、仿鲨鱼鳞片结构。
具体实施方式
参见附图1～4，所述的具有自运输性能的表面微结构阵列的单个微结构为仿鲨鱼鳞片结构28，该结构呈三角状凸起，材料为光敏树脂7，其横向总长为13.6µm，纵向总长为10.2µm，高度总长为6.2µm；相邻两个微结构的横向间距为7.8µm，纵向间距为4.2µm；凸起微结构尾部相对于管道内壁或器件表面向上倾斜约26°；在微结构的表面，分布有纳米颗粒17，从而与鲨鱼皮结构28形成微米/纳米复合结构；在成型件目标面27上均布多个上述复合结构，即构成表面微结构阵列26。
所述的具有自运输性能的表面微结构阵列26的成型方法，是利用一套电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统，并遵循一定的步骤来完成其制备。
所述的电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统，具有大理石底座1。所述的大理石底座1，由下至上分别设置有Y轴滑轨2、X轴滑轨20、移动平台3。其中，所述的移动平台3可在Y轴滑轨2与X轴滑轨20上，分别沿Y轴与X轴方向水平直线运动，Y轴与X轴方向分别采用直线电机驱动。
所述的移动平台3两侧，分别设置有Z1轴滑轨5、Z2轴滑轨16。
所述的Z1轴滑轨5上设置有底板4。所述的底板4，可在Z1轴滑轨上5，沿Z1轴方向上下运动，Z1轴采用直线电机驱动。所述的底板4，由下至上分别设置有电磁辅助振动装置18、树脂槽6。所述的电磁辅助振动装置18包括隔磁套21、衔铁22、板弹簧23、铁芯24、线圈25。所述的树脂槽6当中盛有光敏树脂7，且所述的光敏树脂7当中掺入纳米颗粒17。
所述的Z2轴滑轨16上设置有成型平台15。所述的成型平台15，可在Z2轴滑轨16上，沿Z2轴方向上下运动，Z2轴采用直线电机驱动。所述的成型平台15之上，支撑有光敏树脂经面投影曝光、固化后得到的成型件8。
所述的树脂槽6上部，从右至左分别设置有光机14、掩膜板13、CCD摄像头11、45°反射镜10、物镜9。
所述的树脂槽6右侧，设置有电脑PC19。
为实现所述的具有抗细菌粘附性能的表面微结构阵列16的成型，本发明所遵循的步骤为：
将具有表面微结构阵列26的成型件8的三维CAD模型，采用分层软件按照一定的厚度进行切片，每一层切片被转化为位图文件，每个位图文件被输入到所述的掩模板13上。从所述的光机14射出的光束12被所述的掩模板13图形整形后包含了待固化层面的图像信息，接着经所述的45°反射镜10反射和物镜9聚焦，曝光到所述的树脂槽6中的光敏树脂7液面上，从而得到所需图形的固化层面。当一个层面固化完后，已固化的层面随所述的成型平台15向下运动沉入所述的光敏树脂7中，并保证已固化层面上覆盖的所述的光敏树脂7的厚度恰好等于下一个待加工的层厚。重复上面的曝光过程，直至所有层面曝光完毕。所述的CCD摄像头11用于监测每一层面的成型固化过程。
为减少成型过程中所述的纳米颗粒17出现团聚现象，所述的树脂槽6的下部设置有所述的电磁辅助振动装置18。对所述的线圈25通半波整流的脉冲电流，正半波时电流将所述的铁芯24磁化，形成电磁铁并吸引所述的衔铁22，从而带动所述的树脂槽6向下运动；负半波时电流消失，所述的树脂槽6在所述的板弹簧23的作用下回到原位。如此循环，实现了所述的树脂槽6的上下振动。其中，所述的电磁辅助振动装置18外部设置有所述的隔磁套21，用以防止电磁辐射对外界的干扰。
所述的移动平台3下部设置有所述的X轴滑轨20、Y轴滑轨2，所述的树脂槽6可沿X轴、Y轴方向运动，可实现同一树脂液面不同位置的曝光，从而完成一个平面上多个图像的拼接以成型较大层面。
所述的掩模板13图形的输入、CCD摄像头11的监测、电磁辅助振动装置18和树脂槽6经所述的底板4带动在所述的Z1轴滑轨5的上下运动、成型平台15在Z2轴滑轨16的上下运动、移动平台3在Y轴滑轨2与X轴滑轨20上沿Y轴与X轴方向的水平直线运动，均由所述的电脑PC19控制。
完成所述的整个成型件8的制备之后，采用丙酮溶液浸泡成型件8，对其进行微量腐蚀，使其表面的纳米颗粒17露出，从而形成具有自运输性能的微米/纳米复合结构阵列26。
上述具体实施方式阐明的内容应当理解为该具体实施方式仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种具有自运输性能的表面微结构阵列及其成型方法，其特征在于：所述的具有自运输性能的表面微结构阵列的单个微结构为仿鲨鱼鳞片结构，该结构呈三角状凸起，材料为光敏树脂，其横向尺寸、纵向尺寸、高度、间距等均为微米级；凸起微结构尾部相对于管道内壁或器件表面向上倾斜约25°～30°；在微结构的表面，分布有纳米颗粒，从而与仿鲨鱼鳞片结构形成微米/纳米复合结构；在成型件目标面上均布多个上述复合结构，即构成表面微结构阵列；
所述的具有自运输性能的表面微结构阵列的成型方法，是利用一套电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统，并遵循一定的步骤来完成其制备；
所述的电磁辅助振动的面投影微立体光刻系统，具有大理石底座；所述的大理石底座，由下至上分别设置有Y轴滑轨、X轴滑轨、移动平台；其中，移动平台可在Y轴滑轨与X轴滑轨上，分别沿Y轴与X轴方向水平直线运动；
所述的移动平台两侧，分别设置有Z1轴滑轨、Z2轴滑轨；
所述的Z1轴滑轨上设置有底板；所述的底板，可在Z1轴滑轨上，沿Z1轴方向上下运动；所述的底板，由下至上分别设置有电磁辅助振动装置、树脂槽；所述的电磁辅助振动装置包括隔磁套、衔铁、板弹簧、铁芯、线圈；所述的树脂槽当中盛有光敏树脂，且所述的光敏树脂当中掺入含量为10％纳米颗粒；
所述的Z2轴滑轨上设置有成型平台；所述的成型平台，可在Z2轴滑轨上，沿Z2轴方向上下运动；所述的成型平台之上，支撑有光敏树脂经面投影曝光、固化后得到的成型件；
所述的树脂槽上部，从右至左分别设置有光机、掩膜板、CCD摄像头、45°反射镜、物镜；
所述的树脂槽右侧，设置有电脑PC。
2.为实现所述的具有自运输性能的表面微结构阵列的成型，本发明所遵循的步骤为：
将具有表面微结构阵列的成型件的三维CAD模型，采用分层软件按照一定的厚度进行切片，每一层切片被转化为位图文件，每个位图文件被输入到所述的掩模板上；从所述的光机射出的光束被掩模板图形整形后包含了待固化层面的图像信息，接着经所述的45°反射镜反射和物镜聚焦，曝光到所述的树脂槽中的光敏树脂液面上，从而得到所需图形的固化层面；当一个层面固化完后，已固化的层面随所述的成型平台向下运动沉入所述的光敏树脂中，并保证已固化层面上覆盖的树脂厚度恰好等于下一个待加工的层厚；重复上面的曝光过程，直至所有层面曝光完毕；所述的CCD摄像头用于监测每一层面的成型固化过程；
为减少成型过程中所述的纳米颗粒出现团聚现象，所述的树脂槽下部设置有所述的电磁辅助振动装置；对所述的线圈通半波整流的脉冲电流，正半波时电流将所述的铁芯磁化，形成电磁铁并吸引所述的衔铁，从而带动所述的树脂槽向下运动；负半波时电流消失，所述的树脂槽在所述的板弹簧的作用下回到原位；如此循环，实现了所述的树脂槽的上下振动；其中，所述的电磁辅助振动装置外部设置有所述的隔磁套，用以防止电磁辐射对外界的干扰；
所述的移动平台下部设置有所述的X轴滑轨、Y轴滑轨，所述的树脂槽可沿X轴、Y轴方向运动，可实现同一树脂液面不同位置的曝光，从而完成一个平面上多个图像的拼接以成型较大层面；
所述的掩模板图形的输入、CCD摄像头的监测、电磁辅助振动装置和树脂槽经底板带动在所述的Z1轴滑轨的上下运动、成型平台在Z2轴滑轨的上下运动、移动平台在Y轴滑轨与X轴滑轨上沿Y轴与X轴方向的水平直线运动，均由所述的电脑PC控制；
完成所述的整个成型件的制备之后，采用丙酮溶液浸泡成型件，对其进行微量腐蚀，使其表面的纳米颗粒露出，从而形成具有自运输性能的微米/纳米复合结构阵列。
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