CN113147041A

CN113147041A - 一种微型化原子钟支撑结构的3d打印制造方法

Info

Publication number: CN113147041A
Application number: CN202011464941.2A
Authority: CN
Inventors: 张金海; 郭玉雄; 石福成; 王晓龙; 廉吉庆; 杨炜; 刘志栋; 王宽
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2021-07-23

Abstract

本发明公开了一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法，采用3D打印制造技术制造一种新型的微型化原子钟所用的复杂支撑结构，在结合高性能耐高温聚合物，以此实现可商品化的微型化原子钟支撑结构的设计及3D打印制造成型，解决了原子钟物理封装支撑结构的精密难加工、综合性能差以及一体化封装等难题，大大缩小了支撑结构的尺寸及原子钟的整体尺寸，实现原子钟的一体化物理封装、微型化、轻量化以及小型化及批量化制造，使其能够在卫星导航、航天航空、空间探索等领域工业化应用。

Description

一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法

技术领域

本发明属于微型化原子钟物理封装技术领域，具体涉及一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法。

背景技术

在现代信息战争中，卫星导航定位授时系统以其覆盖范围广、精度高、应用便捷等诸多优点，成为目前应用最广泛的定位授时系统。但由于卫星导航系统信号发射功率较低、穿透能力差，一旦卫星信号被干扰或屏蔽，将无法获取基本的时间和位置信息，可能影响作战使用，对系统作战体系构成严重威胁。然而，原子钟的发明和设计，成为目前最精确计时仪器和频率标准，在定位与导航、航空航天、高速调频通信、守时与授时等领域有着广泛的应用。再者，传统的原子钟体积和功耗较大，限制了其在以上领域的应用范围。

原子钟的高精确度对工作环境的依赖性大，传统的原子钟必须要有复杂而精密的系统来维持，因此体积庞大，价格昂贵。寻求新的原理支撑，简化原子钟的结构，以微型化工艺推动原子钟更加广泛的应用成为一个重要的发展趋势。原子钟的小型化有模块式小型化原子钟和微型原子钟两条途径，但是模块级原子钟由于使用谐振腔，而且谐振波长必须与谐振腔相匹配，因此小型化程度有限；CPT(Coherent Population Trapping，相干布局数囚禁)原理为原子钟的研制提供了新的思路，可以不用谐振腔从而实现原子钟的微型化。微型化小型化及轻量化原子钟的设计和制造关键点在于如何实现原器件的支撑结构的一体化封装和制造，现有传统加工技术缺点，对于微型化支撑结构的加工和制造存在诸多难题，若实现复杂支撑结构的精密制造和一体化物理封装，对于微型化和小型化原子钟的设计和制造及产品化就成为可能。

然而，幸运的是，近年来发展快速且成熟的增材制造技术，为原子钟的微型化和小型化设计提供新的发展制造思路。3D打印技术从狭义上来说主要是增材成型技术，从成型工艺上看3D打印技术突破了传统成型方法通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合，无需任何附加的传统模具制造和机械加工就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周期大大缩短，生产成本大幅下降。通过3D打印制造技术，原子钟支撑结构的设计更为灵活，制造成本及时间将会大大缩短。同时，将微型化原子钟支撑结构的设计和3D打印制造结合，可以最大可能的实现支撑结构的多功能性和结构的复杂性以及体积的三维最小性，从而进一步的一体化封装，最大程度的实现原子钟的微型化和小型化。然而，传统3D打印商用材料在支撑结构的应用在综合性能方面不能满足其基本的要求，因此如何选用综合性能优异，特别是具有优异机械性能、耐热性以及隔热性的3D打印材料至关重要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法，能够实现原子钟物理封装支撑结构的可设计性、一体化封装、功能性及复杂精密加工。

本发明提供了一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法，包括以下步骤：采用3D打印制造方式生成包含薄壁内圆孔、球面内孔及方形孔的原子钟支撑结构；所述支撑结构的材料为光敏树脂及复合材料。

进一步地，所述3D打印制造方式为立体光固化成型、数字光学处理成型、熔融挤出成型及粉末烧结成型中的任意一种或几种。

进一步地，所述支撑结构的材料为聚酰亚胺光敏树脂材料、聚醚醚酮光敏树脂材料、环氧及异氰酸光敏树脂材料中的任意一种。

进一步地，所述支撑结构的精度为1～50μm；所述支撑结构的整体尺寸小于5mm，且所述支撑结构的薄壁结构最小厚度小于150μm；所述支撑结构的机械强度为30～100MPa。

进一步地，所述支撑结构的精度为10～30μm；所述支撑结构的机械强度为 45～80Mpa。

进一步地，所述聚酰亚胺光敏树脂材料由光固化聚酰亚胺低聚物40份至50 份、稀释性单体乙烯基吡咯烷酮30份至40份、光交联剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯10份至15份及光引发剂1份至2份组成。

进一步地，所述聚醚醚酮光敏树脂材料由光敏聚醚醚酮低聚物40份至55 份、稀释剂单体丙烯酸四氢呋喃酯30份至40份、光交联剂二丙二醇二丙烯酸酯10份至20份以及光引发剂1份至3份组成。

进一步地，所述环氧及异氰酸光敏树脂材料由可光固化的环氧树脂和异氰酸树脂单体40份至60份、稀释剂己二醇二丙烯酸酯20份至30份、交联剂乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯10份至20份以及光引发剂1份至3份组成。

进一步地，所述光引发剂为三甲基苯甲酰二苯基氧化膦、异丁基醇酮、2- 苯基苄-2-二甲基胺-1-丁酮中的任意一种或几种。

有益效果：

本发明采用3D打印制造技术制造一种新型的微型化原子钟所用的复杂支撑结构，在结合高性能耐高温聚合物(聚酰亚胺、聚醚醚酮及高温环氧树脂等)，以此实现可商品化的微型化原子钟支撑结构的设计及3D打印制造成型，此3D 打印制造的支撑结构已经在微型化原子钟物理封装等技术方面实现了基本的应用和商品化，解决了原子钟物理封装支撑结构的精密难加工、综合性能差以及一体化封装等难题，大大缩小了支撑结构的尺寸及原子钟的整体尺寸，实现原子钟的一体化物理封装、微型化、轻量化以及小型化及批量化制造，使其能够在卫星导航、航天航空、空间探索等领域工业化应用。

附图说明

图1(a)为本发明提供的一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法所涉及的微型化原子钟支撑结构三维模型图。

图1(b)为支撑结构设计模型倒立时的三维模型示意图。

图2为本发明提供的一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法所涉及的微型化原子钟支撑结构的剖面图。

图3为本发明提供的一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法所涉及的微型化原子钟支撑结构的俯视图。

图4为采用本发明提供的一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法打印的支撑结构的显微镜表面粗糙度图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法，可选择立体光固化成型(SLA)、数字光学处理成型(DLP)、熔融挤出成型(FDM)以及粉末烧结成型(SLS)中的一种或几种，最佳的方式为数字光学处理成型(DLP) 成型打印制造方式。

采用3D打印制造的支撑结构，该支撑结构的制造材料包括聚合物粉末、陶瓷以及光敏树脂及其复合材料，优选聚酰亚胺、聚醚醚酮、环氧树脂以及异氰酸树脂等光敏树脂及其复合材料，更进一步优选所用材料为聚酰亚胺光敏树脂及其复合材料。

其中，聚酰亚胺光敏树脂及其复合材料是由光固化聚酰亚胺低聚物40-50 份、稀释性单体乙烯基吡咯烷酮30-40份、光交联剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 10-15份、以及光引发剂1-2份等组成；聚醚醚酮光敏树脂材料由光敏聚醚醚酮低聚物40-55份、稀释剂单体丙烯酸四氢呋喃酯30-40份、光交联剂二丙二醇二丙烯酸酯10-20份以及光引发剂1-3份等组成；环氧及异氰酸光敏树脂由可光固化的环氧树脂和异氰酸树脂单体40-60份、稀释剂己二醇二丙烯酸酯20-30份、交联剂乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯10-20份以及光引发剂1-3份等组成，光引发剂为三甲基苯甲酰二苯基氧化膦、异丁基醇酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮中的一种或几种。

采用本发明提供的一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法制作的支撑结构，其精度为1～50μm，优选10～30μm；支撑结构整体尺寸小于5mm，且支撑结构薄壁结构最小厚度小于150μm，机械强度为30～100MPa，优选 45～80MPa；支撑结构具有优异的耐热性(使用温度室温～200℃)、隔热性。该支撑结构的应用领域为卫星导航系统、航天航空及空间探索等关键领域。

采用本发明提供的一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法制作的支撑结构的特征在于：包含了薄壁内圆孔、球面内孔、方形孔等复杂几何结构内孔表面光滑度要求高、结构尺度小且设计精度要求为微米级，结构材料为聚酰亚胺材料。支撑结构设计模型的三维模型如图1(a)和图1(b)所示，支撑结构的剖面图如图2所示，支撑结构的俯视图如图3所示。采用3D打印制造，保证了支撑结构设计几何和尺度的设计精度要求，同时能够快速实现支撑结构的批量化生产且废品率低。

实施例1：

首先通过支撑结构的最小化结构设计和功能设计，得出图1所示的物理封装支撑结构模型，在选取中科院兰州化学物理研究所研制的具有综合性能的聚酰亚胺光敏树脂进行DLP光固化3D打印成型制造，打印机型选用深圳创想光固化打印机，切片厚度为80微米，设置曝光时间15s，总共打印时间为30分钟，最终完成支撑结构的3D打印制造。支撑结构的性能数据见下表1所示。

表1微型化原子钟支撑结构3D打印制造性能参数

性能指标	耐热性(℃)	精度(μm)	最小薄壁尺寸(μm)	隔热性	耐低温性(℃)
						3D打印支撑结构	180	30	100	优异	-100～·50

实施例2：

首先通过支撑结构的最小化结构设计和功能设计，得出图1所示的物理封装支撑结构模型，在选取中科院兰州化学物理研究所研制的具有综合性能的聚酰亚胺光敏树脂进行SLA光固化3D打印成型制造，打印机型选用北京金达雷科技有限公司的SLASH2机型，切片厚度为100微米，设置曝光时间8s，总共打印时间为20分钟，最终完成支撑结构的3D打印制造，其支撑构件的精度测量见图4所示。支撑结构的性能数据见下表2所示。

表2微型化原子钟支撑结构3D打印制造性能参数

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微型化原子钟支撑结构的3D打印制造方法，其特征在于，包括以下步骤：采用3D打印制造方式生成包含薄壁内圆孔、球面内孔及方形孔的原子钟支撑结构；所述支撑结构的材料为光敏树脂及复合材料。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述3D打印制造方式为立体光固化成型、数字光学处理成型、熔融挤出成型及粉末烧结成型中的任意一种或几种。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述支撑结构的材料为聚酰亚胺光敏树脂材料、聚醚醚酮光敏树脂材料、环氧及异氰酸光敏树脂材料中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述支撑结构的精度为1～50μm；所述支撑结构的整体尺寸小于5mm，且所述支撑结构的薄壁结构最小厚度小于150μm；所述支撑结构的机械强度为30～100MPa。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述支撑结构的精度为10～30μm；所述支撑结构的机械强度为45～80Mpa。

6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述聚酰亚胺光敏树脂材料由光固化聚酰亚胺低聚物40份至50份、稀释性单体乙烯基吡咯烷酮30份至40份、光交联剂三羟甲基丙烷三丙烯酸酯10份至15份及光引发剂1份至2份组成。

7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述聚醚醚酮光敏树脂材料由光敏聚醚醚酮低聚物40份至55份、稀释剂单体丙烯酸四氢呋喃酯30份至40份、光交联剂二丙二醇二丙烯酸酯10份至20份以及光引发剂1份至3份组成。

8.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述环氧及异氰酸光敏树脂材料由可光固化的环氧树脂和异氰酸树脂单体40份至60份、稀释剂己二醇二丙烯酸酯20份至30份、交联剂乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯10份至20份以及光引发剂1份至3份组成。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述光引发剂为三甲基苯甲酰二苯基氧化膦、异丁基醇酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-丁酮中的任意一种或几种。