CN112297422B

CN112297422B - 一种一次成型的3d打印装置

Info

Publication number: CN112297422B
Application number: CN202011072775.1A
Authority: CN
Inventors: 林炜; 刘波; 刘海锋; 张昊
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: CN112297422A

Abstract

本发明属于3D打印技术领域，更具体地是，涉及一种一次成型3D打印装置。利用光学衍射元件以及时域聚焦飞秒投影实现一次成型的3D打印技术，采用光学衍射元件实现平面上不同位置在成像区不同深度的投影，从而实现分层体投影，一方面提高了打印速率，另一方面一次成型提高了结构稳固性及表面光滑度。此外，采用时域聚焦飞秒投影技术，通过双光子聚合可以实现更小特征尺寸的打印，同时时域聚焦为分层体投影提供了切层能力，防止层与层之间的投影图样串扰。

Description

一种一次成型的3D打印装置

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，更具体地是，涉及一种一次成型3D打印装置，基于光聚合物脂的三维物体加工，可用于微纳米器件、具有生物相容性的仿生器官等制造。

背景技术

3D打印技术是一种快速成型的增材制造技术，它具有高能量利用率、低耗材、高精度等优势，是实现低成本定制器件与功能性器件制造的良好解决方案。3D打印技术以其优异的特性广泛地应用于生物医学、生命科学、微电子学、光学与光子学领域、甚至建筑业，是未来全球化制造业发展的必然趋势。产业研究报告指出3D打印技术的市场于2014年达41亿美元，至2020 年其全球市场将高达86亿美元。

现有的3D打印技术包括纤维熔融沉积、喷墨直写、层压制造、聚焦离子束/电子束直写、电化学沉积、选择性粉末熔融制造以及基于光聚合的3D打印技术。其中基于光聚合的3D打印技术是基于光刻技术发展起来的，根据系统光聚合3D打印技术可分为点扫描激光直写、面投影技术、体成型技术。其中点扫描激光直写技术将三维物体在空间中分解成有限数量的点，利用汇聚激光依次扫过这些点对光刻胶进行聚合联接从而实现打印。面投影技术是将三维物体分解成有限个平面，并利用动态投影技术对每个面依次投影固化。而体成型是利用干涉效应或计算层析原理直接实现三维物体的成型。点扫描激光直写技术具有很高的打印精度(几十纳米至微米)，然而打印速度慢；体成型技术具有很高的打印速率，而打印精度则较低(300微米左右)。与点扫描激光直写及体成型技术相比，面投影技术很好地平衡了打印精度与打印速度间的矛盾关系，获得了近衍射极限的精度及可观的打印速度。然而，这种技术所打印的三维物体是由多层投影聚合后堆叠而成的，与体成型技术相比其结构稳固性差，表面光滑度差。目前还尚未有技术可以兼具高精度(突破衍射极限)，高打印速率，良好结构稳固性及良好的表面光滑度等优势。

发明内容

本发明旨在利用光学衍射元件以及时域聚焦飞秒投影实现一次成型的3D 打印技术，采用光学衍射元件实现平面上不同位置在成像区不同深度的投影，从而实现分层体投影，一方面提高了打印速率，另一方面一次成型提高了结构稳固性及表面光滑度。此外，采用时域聚焦飞秒投影技术，通过双光子聚合可以实现更小特征尺寸的打印，同时时域聚焦为分层体投影提供了切层能力，防止层与层之间的投影图样串扰。

本发明是一种新型的一次成型3D打印装置，采用了光学衍射元件实现分层的三维投影，从而实现一次三维物体成型，利用时域聚焦技术实现双光子聚合且提供切层能力。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种一次成型3D打印装置，它包括光源、可调衰减器、快门、扩束系统、色散补偿器、可编程数字微反射镜阵列器件、第一傅里叶透镜、光学衍射元件、第二傅里叶透镜、空间滤波器和样品池，光源发射的激光先后经过可调衰减器、快门、扩束系统以及色散补偿器后，激光从可编程数字微反射镜阵列器件的闪耀角入射，所述可编程数字微反射镜阵列器件的光轴共轴；第一傅里叶透镜与第二傅里叶透镜共同组成4F系统，且可编程数字微反射镜阵列器件放置在4F系统第一个焦平面上，光学衍射元件放置在第二个焦平面上，第三个焦平面放置空间滤波器，激光从可编程数字微反射镜阵列器件射出后，依次经过第一傅里叶透镜、光学衍射元件、第二傅里叶透镜、空间滤波器后进入样品池。

本技术方案进一步的优化，还包括光束整形器，所述光束整形器设置在扩束系统和色散补偿器之间。

本技术方案进一步的优化，还包括光学缩放系统，所述光学缩放系统设置在空间滤波器和样品池之间。

本技术方案进一步的优化，所述样品池内盛装双光子聚合光刻胶。

本技术方案进一步的优化，所述光源采用的是超快激光。

本技术方案进一步的优化，所述光学衍射元件实现多焦面投影技术，其相位分布由数字全息循环迭代法计算得到。

本技术方案进一步的优化，所述色散补偿器采用平行光栅对。

本发明利用时域聚焦技术产生飞秒激光光学切片以及双光子聚合效应，可以实现突破衍射极限的超精度切层打印。此外利用多焦面投影技术可以实现整个三维投影，从而实现待打印三维物体的一次曝光成型。

附图说明

图1为一次成型3D打印装置的结构示意图；

图2为循环迭代算法示意图。

附图标记说明：

1：光源；2：可调衰减器；3：快门4：扩束系统；5：光束整形器；6：色散补偿器；7：可编程数字微反射镜阵列器件；8：第一傅里叶透镜；9：光学衍射元件；10：第二傅里叶透镜；11：空间滤波器；12：光学缩放系统； 13：样品池。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1所示，为一次成型3D打印装置的结构示意图。本发明优选一实施例，一次成型3D打印装置包括：光源1、可调衰减器2、快门3、扩束系统4、光束整形器5、色散补偿器6、可编程数字微反射镜阵列器件7、第一傅里叶透镜8、光学衍射元件9、第二傅里叶透镜10、空间滤波器11、光学缩放系统12和样品池13。该实施例光源1采用的是超快激光，激光从光源1 射出后先后经过可调衰减器2、快门3、扩束系统4、光束整形器5以及色散补偿器6。可编程数字微反射镜阵列器件7的光轴应共轴，激光从可编程数字微反射镜阵列器件7的闪耀角入射，确保最高的能量利用率。第一傅里叶透镜8与第二傅里叶透镜10共同组成4F系统，且可编程数字微反射镜阵列器件7放置在4F系统第一个焦平面上，光学衍射元件9放置在第二个焦平面上，用于空间频率调制实现多焦面投影，第三个焦平面放置空间滤波器11滤除高阶衍射。可编程数字微反射镜阵列器件7一方面作为动态掩模板显示各切层图像，另一方面作为二维光栅为时域聚焦系统提供空间色散。光学缩放系统 12可将三维投影进行一定的缩放，通过选取缩放倍率从而控制打印三维体的尺寸以及精度。样品池13内盛装双光子聚合光刻胶。

本发明的核心技术包括两部分，一是多焦面投影技术、二是超快激光时域聚焦光学切片技术。其原理分别如下：

1、多焦面投影技术

目前已有的体成型技术包括干涉体成型技术，计算断层扫描成型技术。然而这两种技术的加工精度有限，约200μm，且计算断层扫描成型技术不是一次成型，需要不断旋转样品池，同时控制曝光图样，成型加工过程复杂。一次曝光体成型技术依赖于三维投影技术。目前三维投影技术包括全息记录与再现以及数字全息技术。全息记录与再现受限于再现角度，无法实现真正的三维投影，而数字全息技术由于器件有限像素数而很难呈现复杂的三维投影。本发明引入一种全新的三维投影概念，即多焦面投影技术，将待投影的三维体分成有限的切层，并利用微反射镜阵列分区域同时显示，而后利用光学衍射元件将不同显示区域的投影聚焦于不同平面处，从而实现三维投影。多焦面投影系统为4F系统，其中第一个焦平面放置数字微反射镜阵列，第二个焦平面放置光学衍射元件用于频域调制，第三个焦平面放置空间滤波器用于滤除其他衍射分量。其中光学衍射元件采用纯相位掩膜板，其相位分布是该技术的核心，计算分为两个步骤：

a)首先，计算光学衍射元件的初始相位分布T(u,v)。

将待投影的三维体分为m*n个切层，其光强分布至上而下分别为f_i(x,y)， i＝1,2,3…m*n。将这些切层以m*n的阵列显示于数字微反射镜阵列中，那么其光强写为：

序号i＝n(a-1)+b；

其中Δx_a为x方向偏移向量Δx的第a个元素，行偏移向量

Δy_b为y方向偏移向量Δy的第b个元素，

d_x与d_y分别为切层显示阵列的x,y间距。

其空间频谱为：

受光学衍射元件调制后的空间频谱为：U_out(u,v)＝U_in(u,v)·T(u,v)。

采用逆推法计算衍射元件相位分布，将三维投影底部切层作为焦平面，并将各切层传播至焦平面，则焦平面光场复振辐为：

其中δ_i(x,y)为待滤除的高阶分量，

为自由空间中菲涅尔衍射子波前向传输的函数。由此可以得到空间频率为：

可得光学衍射元件的相位分布：

而相位分布需与投影频谱相位无关，则

那么光学衍射元件的初始相位分布：

b)其次，优化光学衍射元件的相位分布。

为了使得三维投影各切层的强度保持一致，采用循环迭代法对光学衍射元件相位分布进行优化，其算法如图2所示，由迭代算法即可实现光学衍射元件的优化。

2、超快激光时域聚焦光学切片技术。

多焦面投影技术可实现三维光场的产生，然而光源采用的是相干光，多焦面投影由于景深的影响会相互干涉无法形成目标三维投影。本发明采用超快激光这一准相干光光源，利用飞秒时域聚焦产生微米级的切层，可以防止三维投影各焦面的相互串扰。时域聚焦系统也是一个4F系统，在第一个焦平面放置光栅将超快激光在空间中进行色散展开，并于共轭面处重新聚焦。由于色散展开的缘故，飞秒脉冲宽度仅在共轭面处与入射激光一致，而在共轭面之外，脉冲被急剧展宽，仅焦平面附近能发生双光子效应，由此产生很薄的光学切片。切片延光轴方向的强度分布，可表示为：

其中χ＝γ²log2/(0.22²k₀)，Δv是频谱带宽，a是脉冲啁啾系数，M是系统的放大率，γ是光栅的色散系数，k₀是飞秒激光中心波长的波数。由此可以计算得到超快激光光学切片的厚度(以半高全宽定义)为：

d＝2M²/(χΔv²)

由于多焦面投影系统与时域聚焦系统都采用4F系统，且前者是在第二个焦面处放置光学衍射元件，后者只需在第一个焦面处放置光栅，因此两种技术系统可以耦合成一个4F系统，使整个3D打印系统更加紧凑。另外，采用数字微反射镜阵列器件一方面作为动态掩膜板，用于同时显示各切层，另一方面作为二维光栅为时域聚焦技术提供可观的空间色散能力。

该实施例采用超快激光光源，利用双光子聚合效应实现更高的加工精度。激光经可调衰减器2、光学快门3后入射进扩束系统4进行扩束，光学快门3 用于控制激光的通断从而控制光聚合的过程。激光经扩束后进入光束整形器 5，将高斯光整形成平顶光束，色散补偿器6对激光进行色散补偿及预补偿。经色散补偿后的激光入射至可编程数字微反射镜阵列器件7，入射角度为闪耀角以确保最高的能量利用率。可编程数字微反射镜阵列器件7一方面作为动态掩膜板将待打印三维体的各层进行编辑并显示，另一方面作为色散器件将超快激光在空间中进行色散展开。激光经第一傅里叶透镜8后，入射至焦平面处的光学衍射器件9进行频域调制，经第二傅里叶透镜10后，在后焦平面处产生三维的光场分布。第二傅里叶透镜10焦平面处放置空间滤波器11滤除高阶衍射的分量。经光学缩放系统12，在样品池13即可产生多层光学切片，每层光学切片为待打印三维物体的切层投影。样品池13中的光刻胶经曝光，发生双光子聚合效应，多层切片组成的三维光场经单次曝光即可实现三维物体的一次成型。由于三维物体各层的成型是在同一次曝光完成的，选择合适的切层间距可使三维物体有着更强的机械强度。

需要说明的是，该实施例的光源采用飞秒激光，其中心波长为800nm，脉冲宽度为50fs，重复频率为80MHz，快门控制曝光时间为1/1000s，扩束系统为5倍，光束直径应大于光束整形器的孔径，从而实现平顶光束的产生，其有效工作距离应大于1m。色散补偿器采用平行光栅对，其中一个光栅放置在平移台上以实现色散的可调。由色散补偿出射的光以闪耀角入射至，数字微反射镜阵列，闪耀角度为12°，选取闪耀级次。傅里叶透镜8与10的焦距为200mm，使微反射镜阵列的其他级次无法被系统孔径接收。微反射镜阵列采用2160×1920的像素，三维投影切层数为3×3，每层的像素选为640 ×640，像素大小为10.6um。空间滤波器为方形窗口，大小为6.8mm×6.8mm。缩放系统的缩放率为100倍。所采用的双光子光刻胶吸收谱中心波长在400nm 左右。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种一次成型的3D打印装置，其特征在于，它包括光源、可调衰减器、快门、扩束系统、色散补偿器、可编程数字微反射镜阵列器件、第一傅里叶透镜、光学衍射元件、第二傅里叶透镜、空间滤波器和样品池，光源发射的激光先后经过可调衰减器、快门、扩束系统以及色散补偿器后，激光从可编程数字微反射镜阵列器件的闪耀角入射，所述可编程数字微反射镜阵列器件的光轴共轴；第一傅里叶透镜与第二傅里叶透镜共同组成4F系统，且可编程数字微反射镜阵列器件放置在4F系统第一个焦平面上，光学衍射元件放置在第二个焦平面上，第三个焦平面放置空间滤波器，激光从可编程数字微反射镜阵列器件射出后，依次经过第一傅里叶透镜、光学衍射元件、第二傅里叶透镜、空间滤波器后进入样品池。

2.如权利要求1所述的一次成型的3D打印装置，其特征在于，还包括光束整形器，所述光束整形器设置在扩束系统和色散补偿器之间。

3.如权利要求1所述的一次成型的3D打印装置，其特征在于，还包括光学缩放系统，所述光学缩放系统设置在空间滤波器和样品池之间。

4.如权利要求1所述的一次成型的3D打印装置，其特征在于，所述样品池内盛装双光子聚合光刻胶。

5.如权利要求1所述的一次成型的3D打印装置，其特征在于，所述光源采用的是超快激光。

6.如权利要求1所述的一次成型的3D打印装置，其特征在于，所述色散补偿器采用平行光栅对。