CN1325368C - 三维复杂微结构的快速制造方法 - Google Patents
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Abstract
快速制造三维复杂微结构的方法包括以下步骤：建立三维复杂微结构的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型数据；计算机控制安装在X-Y扫描器上的微型激光头按照每层的成型数据做设定的运动，微型喷嘴喷射出光敏树脂，微细激光束照射在刚喷射出的光敏树脂上，迅速固化出该层图形；未固化的区域用支撑材料填充，以作为下一固化层的支撑；依次按照每层的成型数据制作出每一层，层层粘结叠加，最终制造出设计的三维复杂微结构。本发明装置运动精度高、成型速度快、可实现三维复杂微结构的批量加工，也可实现多个不同形状的微结构的同时加工。
Description
技术领域
本发明涉及三维复杂微结构快速制造方法，属于微机械加工的技术领域。
背景技术
微结构作为微机电系统(MEMS)的重要组成部分，其应用非常广泛。微结构的制造工艺主要有硅加工、LIGA、微放电加工和微光造型等。前三种制造工艺很难制作复杂的三维微结构，且制作成本高、周期长；微光造型制造工艺能制作三维复杂微结构，成型速度快，成本低，但目前还不能制作出各部分材料性能不同的微结构，也无法制作出彩色三维零件。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种能够快速、低成本的三维复杂微结构的快速制造方法。
技术方案：本发明是运用如下技术方案来实现三维复杂微结构的快速、低成本的制造的：
该方法包括以下步骤：
a.建立三维复杂微结构的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型数据；
b.计算机控制安装在X-Y扫描器上的微型激光头按照每层的成型数据做设定的运动，微型喷嘴喷射出光敏树脂，微细激光束照射在刚喷射出的光敏树脂上，迅速固化出该层图形；
c.未固化的区域用支撑材料填充，以作为下一固化层的支撑；
d.依次按照每层的成型数据制作出每一层，层层粘结叠加，最终制造出设计的三维复杂微结构。
利用孔径＜80μm的微型喷嘴喷射光敏树脂。喷射的光敏树脂为对波长在300～680nm之间的激光极为敏感的光敏树脂。
喷射的光敏树脂为丙烯酸酯类树脂。微型激光头为波长在300～680nm之间的半导体激光器和微型聚焦装置。当制作具有多种材料的三维复杂微结构时，在X-Y扫描器上另安装多个能喷射不同材料的喷头。喷射的光敏树脂中混杂有纳米导电颗粒或纳米氮化硅颗粒。当制作彩色三维复杂微结构时，在X-Y扫描器上另安装多个能喷射不同颜色材料的喷头。在光敏树脂中分别加入洋红、青色、黄色三种颜料，制成三种具有不同颜色的光敏树脂，在加工每层时，根据每层的成型数据中含有的颜色信息，控制三个喷射不同颜色的光敏树脂的微细喷嘴，从而喷射出该层的彩色图形，并迅速被激光束固化。支撑材料为可熔化的蜡。
有益效果：本发明工艺简单，成本低，制造零件的速度大大高于硅加工、LIGA加工等工艺，可以制作硅加工、LIGA等工艺无法加工的三维复杂微结构，可以制造含有多种材料的三维复杂微结构，也可以制造彩色三维宏结构或微结构。
本发明装置运动精度高、成型速度快、可实现三维复杂微结构的批量加工，也可实现多个不同形状的微结构的同时加工。
附图说明
图1是应用本发明的成型工艺开发的能快速制造三维复杂微结构的成型系统简图，
图2是能制作彩色三维微结构的成型系统结构简图；
图3是制造含有其他加工工艺制作的微器件的微装配体的成型系统简图；
图4是定位其他加工工艺制作的微器件的示意图。
以上的图中包括控制计算机1，X扫描器2，Y扫描器3，Z轴工作台4，喷射支撑材料的微型喷嘴5，激光头6，喷射功能型光敏树脂的微型喷嘴7，固化的支撑材料8，树脂固化物9，基底10，喷射无色光敏树脂的微型喷嘴11，喷射洋红色光敏树脂的微型喷嘴12，喷射青色光敏树脂的微型喷嘴13，喷射黄色光敏树脂的微型喷嘴14，其它工艺制作的微器件15，精密夹持架X轴16、精密夹持架Y轴17，精密夹持架18，X轴微调螺旋19、Y轴微调螺旋20。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
图1是三维复杂微结构快速制造系统简图。在计算机1里建立三维复杂微结构的实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型数据；在制作该微结构时，微型喷嘴7喷射出光敏树脂；同时计算机1控制安装在扫描器2和3上的微型激光头6按照每层的成型数据做设定的运动，微细激光束照射在刚喷射出的光敏树脂上，迅速固化出该层图形；未固化的区域用支撑材料填充，以作为下一固化层的支撑；依次按照每层的成型数据制作出每一层，最终制造出设计的三维复杂微结构。
图2是能制作彩色三维微结构的成型系统结构简图。在计算机1里建立三维复杂微结构的实体模型，软件对其进行切片分层，取出每层的成型数据；在制作该微结构时，计算机根据每层中的每部分的色彩信息分别驱动微型喷嘴12、13、14、15喷射不同颜色的光敏树脂；同时计算机1控制安装在扫描器2和3上的微型激光头6按照每层的成型数据做设定的运动，微细激光束照射在刚喷射出的光敏树脂上，迅速固化出该层图形；未固化的区域用支撑材料填充，以作为下一固化层的支撑；依次按照每层的成型数据制作出每一层，最终制造出设计的彩色三维微结构。
图3是制造含有其它加工工艺制作的微器件的微装配体的成型系统简图。在控制计算机1里建立微装配体的实体模型，该实体模型包含有其它加工工艺制作的微器件15(如气动、电子与光学元件，以及与这些元件相耦合的接口及相应元器件等)，在计算机1对该微装配体的实体模型进行分层时，就在成型文件中包含微器件15的分层加工信息。在制作该微装配体时，微型喷嘴7喷射出光敏树脂；同时计算机1控制安装在扫描器2和3上的微型激光头6按照每层的成型数据做设定的运动，微细激光束照射在刚喷射出的光敏树脂上，迅速固化出该层图形；未固化的区域用支撑材料填充，以作为下一固化层的支撑；在加工过程中，根据图4所示的方法依次把这些微器件15固定于不同固化层处，依次按照每层的成型数据制作出每一层，最终制造出设计的微装配体。
图4是定位其他加工工艺制作的微器件的示意图。在制造微装配体时，如该微装配体含有其他加工工艺制作的微器件8，在制作过程中，其它工艺制作的微器件8的精确定位是至关重要的，采取以下措施：CAD模型设计时留出该微器件8的具体位置；软件子系统中给出该器件8所处于的加工层的信息；在放置该微器件8之前，预先固化出微框架；采用X-Y精密夹持架16和17，在显微镜的配合下通过微调螺旋19、20把该微器件8放入微框架。
Claims (10)
1.一种快速制造三维复杂微结构的方法，该方法包括以下步骤：
a.建立三维复杂微结构的计算机实体模型，对其进行切片分层，取出每层的成型数据；
b.计算机控制安装在X-Y扫描器上的微型激光头按照每层的成型数据做设定的运动，微型喷嘴喷射出光敏树脂，微细激光束照射在刚喷射出的光敏树脂上，迅速固化出该层图形；
c.未固化的区域用支撑材料填充，以作为下一固化层的支撑；
d.依次按照每层的成型数据制作出每一层，层层粘结叠加，最终制造出设计的三维复杂微结构。
2.如权利要求1所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于利用孔径＜80μm的微型喷嘴喷射光敏树脂。
3.如权利要求1或2所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于喷射的光敏树脂为对波长在300～680nm之间的激光束极其敏感的光敏树脂。
4.如权利要求3所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于喷射的光敏树脂为丙烯酸酯类树脂。
5.如权利要求1所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于微型激光头为波长在300～680nm之间的激光器和微型聚焦装置。
6.如权利要求1所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于当制作的三维复杂微结构为具有多种材料的三维复杂微结构时，在X-Y扫描器上另安装多个能喷射不同材料的喷头。
7.如权利要求1或2所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于喷射的光敏树脂中混杂有纳米导电颗粒或纳米氮化硅颗粒。
8.如权利要求1所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于当制作的三维复杂微结构是彩色三维复杂微结构时，在X-Y扫描器上另安装多个能喷射不同颜色材料的喷头。
9.如权利要求1或2所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于在光敏树脂中分别加入洋红、青色、黄色三种颜料，制成三种具有不同颜色的光敏树脂，在加工每层时，根据每层的成型数据中含有的颜色信息，控制三个喷射不同颜色的光敏树脂的微细喷嘴，从而喷射出该层的彩色图形，并迅速被激光束固化。
10.如权利要求1所述的快速制造三维复杂微结构的方法，其特征在于支撑材料为可熔化的蜡。
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