CN112596343B - 双光束激光3d打印装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双光束激光3D打印装置，包括激光光路部分和三维扫描部分，所述的激光光路部分包括激光器，所述激光器产生的激光被分束镜分成多束光路，每束光路上均设有反射镜和光开关，所述的光路入射至物镜上，并经物镜聚焦至光固化前驱体内；所述的三维扫描部分包括承载工件的第一位移台和承载物镜的第二位移台，所述的第一位移台上固定有样品架，所述的光固化前驱体及由其制备的工件位于样品架的中心孔内，在对光固化前驱体激光3D打印前，需在样品架的贯穿孔中心水平面预先打印一薄层网格作为支撑层，然后以支撑层为基准分别向两侧加工工件。本发明通过双光束并行打印，提高了传统激光直写系统的打印效率，大幅缩短了加工的时间成本。

Description

双光束激光3D打印装置
技术领域
本发明涉及一种3D打印装置，尤其涉及一种双光束激光3D打印装置。
背景技术
激光直写技术通过聚焦将光束约束在光刻胶的微小区域内，仅在此微小的约束区域内引发剂能吸收光子产生自由基或阳离子等活性基团，从而诱使单体聚合。通过控制激光光束的聚焦光斑大小、光束强度、曝光时间等参数，可以实现微细结构的加工。激光直写技术具有高自由度、高精度的特点，利用激光聚焦区域与光刻胶的三维移动，可以实现微细三维结构的一体成型，避免了传统光加工过程对掩模版、套刻等工艺的依赖，在微电子、微光学器件、微机械、微流控等领域有着广泛的应用前景。
现有技术通过单光束扫描微结构的三维轮廓实现复杂微细结构的三维制备。这种扫描方式系统结构简单，适用于制造尺度在毫米级以下的微细结构。但单光束扫描速度慢，加工尺度较大的目标结构时，需要巨大的时间成本，加工效率低。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种双光束激光3D打印装置，通过双光束并行打印以提高加工效率。
技术方案：本发明包括激光光路部分和三维扫描部分，所述的激光光路部分包括激光器，所述激光器产生的激光被分束镜分成多束光路，每束光路上均设有反射镜和光开关，所述的光路入射至物镜上，并经物镜聚焦至光固化前驱体内；所述的三维扫描部分包括承载工件的第一位移台和承载物镜的第二位移台，所述的第一位移台上固定有样品架，所述的光固化前驱体及由其制备的工件位于样品架内。
所述的光开关采用机械式光开关或声光调制器，可分别控制上光束和下光束通量。
所述的第一位移台采用多轴位移台，所述的多轴位移台采用纳米精度的压电位移台或微米精度的电位移台或两者的组合。
所述的第二位移台为单轴位移台。
所述的样品架包括主体和贯穿孔，其中，所述的主体固定在多轴位移台上，主体中部为贯穿孔。
所述的贯穿孔为单孔或多孔。
所述的光固化前驱体在激光打印前，在样品架的贯穿孔中心水平面预先打印出支撑层，并以支撑层为基准分别向两侧加工工件。
所述的光固化前驱体通过覆盖、悬挂或悬浮方式加载到样品架中部的贯穿孔内，光固化前驱体完全包含贯穿孔并溢出至贯穿孔的上下两侧。
所述的光固化前驱体为掺杂了光引发剂的光聚合物。
所述的物镜为油镜、水镜或空气镜。
有益效果：本发明通过双光束并行打印，提高了传统激光直写系统的打印效率，大幅缩短了加工的时间成本。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的光固化打印前驱体和多轴位移台连接的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本发明包括激光光路部分和三维扫描部分，其中，激光光路部分包括激光器6、分束镜8、反射镜9、光开关7、光路10和物镜4。激光器6产生的激光被分束镜8分成两束光路10，并分别经反射镜9入射至上下两只物镜4上，最终聚焦到光固化前驱体1内，使光斑处发生光聚合反应。其中，上光路上依次设有光开关7和反射镜9，下光路上设有两只反射镜9，两个反射镜9之间设有光开关7。光开关7为机械式光开关或声光调制器，可分别控制上光束和下光束的通量；可同步触发，上下两束光镜像对称打印，也可异步触发，两束光独立工作。
三维扫描部分包括承载工件的多轴位移台3和承载物镜4的单轴位移台5，多轴位移台3和单轴位移台5协同运动，使激光焦点相对工件三维运动。其中，样品架2固定在多轴位移台3上，光固化前驱体1及由其制备得到的工件位于样品架2的贯穿孔22内。多轴位移台3为二轴或三轴；可为纳米精度的压电位移台，或微米精度的电位移台，或两者的组合。在对光固化前驱体1进行激光3D打印前，需在样品架2的贯穿孔22中心水平面预先打印一薄层网格作为支撑层，然后以支撑层为基准分别向两侧加工工件。
如图2所示，样品架2由主体21和贯穿孔22组成，其主体21适配并通过螺丝固定到多轴位移台3上，主体21中部为贯穿孔22。贯穿孔22为单孔或有序排布的多孔；孔为圆形、正三角形、正方形、正五边形、正六边形、正八边形等；孔外接圆直径为50微米至20毫米。光固化前驱体1通过覆盖、悬挂、悬浮等方式加载到样品架2中部的贯穿孔22内，光固化前驱体1完全包含贯穿孔22并溢出到其上下两侧。光固化前驱体1为掺杂了光引发剂的光聚合物，包括SU-8系列、AZ系列、IP系列光刻胶，或者水凝胶等；光固化前驱体1可以为液态、半固态、固体形式存在。物镜4可为油镜、水镜或者空气镜，常用倍率和数值孔径为100X NA1.4、100XNA1.3、63X NA1.4、25X NA0.8、20X NA0.5等。
实施例2
本实施例的激光光路部分包括激光器6、分束镜8、反射镜9、光开关7、光路10和物镜4。激光器6可以产生780nm波长的飞秒激光，被光束镜8分成两束光路10，然后分别经过反射镜9入射至上下两只物镜4中，最终聚焦到光固化前驱体1内，使光斑处发生光聚合反应；其中，两只光开关7分别位于物镜4之前的光路10上。本实施例使用了三只反射镜9完成光路调节，使用的光开关7为机械式光开关。
三维扫描部分包括光固化前驱体1、样品架2、承载工件的二轴压电位移台、承载物镜的单轴电位移台。承载工件的二轴压电位移台和承载物镜4的单轴电位移台协同运动，使激光焦点相对工件三维运动；其中，样品架2固定在多轴位移台3上，光固化前驱体1及由其制备得到的工件位于样品架2中心孔内。
本实施例使用的样品架由主体21和贯穿孔22组成，其主体21适配并通过螺丝固定到多轴位移台3，中部为圆形贯穿孔22，孔直径为15毫米。使用的光固化前驱体1为IP系列光刻胶，物镜4为相应的油镜，常用倍率和数值孔径为63X NA1.4或25X NA0.8。进行结构加工前，应在样品架2的贯穿孔22中心水平面预先打印一个薄层网格作为支撑层，然后以支撑层为基准分别向两侧加工工件。
本发明的具体使用步骤如下：
(1)根据目标结构的形貌划分上下区域；
(2)选择对应的聚焦物镜和激光器，生成对应的加工路径；
(3)进行结构打印前，需在样品架中部开孔的正中位置先打印一薄层组织作为支撑；
(4)在激光直写加工过程中，根据加工路径进行上下区域并行的聚合加工；(5)显影成型。

Claims (7)

1.一种双光束激光3D打印装置，其特征在于，包括激光光路部分和三维扫描部分，所述的激光光路部分包括激光器（6），所述激光器（6）产生的激光被分束镜（8）分成多束光路（10），每束光路（10）上均设有反射镜（9）和光开关（7），所述的光路（10）入射至物镜（4）上，并经物镜（4）聚焦至光固化前驱体（1）内；所述的三维扫描部分包括承载工件的第一位移台和承载物镜（4）的第二位移台，所述的第一位移台上固定有样品架（2），所述的光固化前驱体（1）及由其制备的工件位于样品架（2）内，所述的样品架（2）包括主体（21）和贯穿孔（22），其中，所述的主体（21）固定在多轴位移台（3）上，主体（21）中部为贯穿孔（22），所述的光固化前驱体（1）在激光打印前，在样品架（2）的贯穿孔（22）中心水平面预先打印出支撑层，并以支撑层为基准分别向两侧加工工件，所述的光固化前驱体（1）通过覆盖、悬挂或悬浮方式加载到样品架（2）中部的贯穿孔（22）内，光固化前驱体（1）完全包含贯穿孔（22）并溢出至贯穿孔（22）的上下两侧。
2.根据权利要求1所述的双光束激光3D打印装置，其特征在于，所述的光开关（7）采用机械式光开关或声光调制器。
3.根据权利要求1所述的双光束激光3D打印装置，其特征在于，所述的第一位移台采用多轴位移台（3），所述的多轴位移台（3）采用纳米精度的压电位移台或微米精度的电位移台或两者的组合。
4.根据权利要求1所述的双光束激光3D打印装置，其特征在于，所述的第二位移台为单轴位移台（5）。
5.根据权利要求1所述的双光束激光3D打印装置，其特征在于，所述的贯穿孔（22）为单孔或多孔。
6.根据权利要求1所述的双光束激光3D打印装置，其特征在于，所述的光固化前驱体（1）为掺杂了光引发剂的光聚合物。
7.根据权利要求1所述的双光束激光3D打印装置，其特征在于，所述的物镜（4）为油镜、水镜或空气镜。
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