全息超声场面自成型增材制造方法及装置与流程

技术特征：

1.一种全息超声场面自成型增材制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将液态光敏树脂作为主体材料置于储液槽中；

(2)将超声换能器置于储液槽中并处于主体材料里；

(3)将经表面活性处理的光引发剂置于储液槽上方的阵列喷嘴中；

(4)计算机设计所需件的结构并制作三维模型；

(5)根据步骤(4)所得的三维模型生成打印文件并制作全息声透镜：

将步骤(4)所得的三维模型进行前处理和分层处理，设置支撑结构和打印工艺参数生成打印文件；同时根据迭代角谱算法计算出三维模型的各点相位及振幅信息并记录在全息声透镜上，并将全息声透镜安装在超声换能器上；

所述全息声透镜的制作方法如下：

(a)采用迭代角谱算法通过各点振幅和相位计算全息透镜各点厚度：

液面上未干涉的各点声压：

${\stackrel{\→}{p}}_n(x,y,z_0+{\mathrm{nz}}_i)=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\left|{\stackrel{\→}{P}}_n(k_x,k_y,z_0+{\mathrm{nz}}_i)\right|{\mathrm{dk}}_x{\mathrm{dk}}_y$

(x,y,z₀+nz_i)为液面处(第n层)各点的空间坐标通式，为液面处(第n层)干涉后的已知声压，已知：波矢量表示液面处(第n层)声波的传播方向，k_x和k_y分别为波矢量在x轴和y轴方向的分量，波矢量在z轴方向的分量即主体材料每层固化的层厚为z_i，全息声透镜上表面z＝0，z₀为基板上表面到全息声透镜上表面的距离，n为步骤(5)中所述的分层处理的层数，为自然数；

全息声透镜需要记录空间超声场各点的相位、振幅信息，液面未干涉的各点声压可通过该点的振幅、相位表示，为：

${\stackrel{\→}{p}}_n(x,y,z_0+{\mathrm{nz}}_i)=\widehat{p_n}(x,y,z_0+{\mathrm{nz}}_i)e^{j\mathrm{\φ}(x,y,z_0+{\mathrm{nz}}_i)}$

为液面未干涉的各点声波的振幅，φ(x,y,z₀+nz_i)为液面未干涉的各点声波的相位；

声波透过n个层厚的振幅关系式：

$\widehat{p_n}(x,y,z_0+nz)=\widehat{p_0}(x,y,z_0)\underset{q=1}{\overset{q=n}{\Π}}\sqrt{{\mathrm{\α}}_q}$

已知：为声波透过第q层的振幅损失，为基板上表面的声波振幅；

若该点为液态主体材料，则若为固化后的主体材料，则：

$\sqrt{{\mathrm{\α}}_q}=\sqrt{\frac{4Z_s^2{Z}_{q-1}{Z}_q}{Z_s^2{(Z_{q-1}+Z_q)}^{2}cos{\left(k_s{z}_i\right)}^2+{(Z_s^2+Z_{q-1}{Z}_q)}^{2}sin{\left(k_s{z}_i\right)}^2}}$

其中上述步骤(5)中生成打印文件时即已知任意点处的物质状态，已知：液态主体材料声阻抗Z_m，固化后的声阻抗Z_s，为声波在主体材料固化后中的波数，λ_s为声波在主体材料固化后中的波长；Z_q-1、Z_q为任一点在第q-1层、q层的声阻抗，若为液态主体材料则为Z_m，若为固化后材料则为Z_s；

声波由基板到液面的相位变化即全息声透镜到液面的相位变化为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}(x,y)=(k_m-k_s)\underset{q=1}{\overset{q=n}{\Σ}}{z}_q$

为声波在液态主体材料中的波数，λ_m为声波在液态主体材料中的波长，z_q为该点第q层的固化后主体材料的厚度，若该点为液态主体材料则z_q＝0，若该点为固化后的主体材料则z_q＝z_i；全息声透镜表面到基板上表面(即z＝0到z＝z₀)，物质分布均匀，声波相位无相对变化；

声波穿过基板的振幅关系式：

$\sqrt{{\mathrm{\α}}_B}=\sqrt{\frac{4Z_B^2{Z}_m^2}{Z_B^2{\left(2Z_m\right)}^{2}cos{\left(k_B{T}_B\right)}^2+{(Z_B^2+Z_m^2)}^{2}sin{\left(k_B{T}_B\right)}^2}}$

已知：为声波透过基板的振幅损失，基板厚度为T_B，基板的声阻抗Z_B，液态主体材料声阻抗Z_m，声波在基板中的波数，λ_B为声波在基板中波长；全息声透镜上各点振幅和换能器输出振幅的关系为：

$\hat{p}(x,y,0)=\hat{p}(x,y,z_0-T_B)=\sqrt{{\mathrm{\α}}_T(x,y)}\widehat{p_0}(x,y)$

已知：为声波透过声透镜的振幅损失，为全息声透镜上表面声波的振幅，为基板下表面的声波振幅，超声换能器输出振幅液体材料对振幅影响极小可忽略，

$\sqrt{{\mathrm{\α}}_T(x,y)}=\sqrt{\frac{4Z_t{Z}_h^2{Z}_m}{Z_h^2{(Z_t+Z_m)}^{2}cos{\left(k_{h}T\right(x,y\left)\right)}^2+{(Z_h^2+Z_t{Z}_m)}^{2}sin{\left(k_{h}T\right(x,y\left)\right)}^2}}$

已知：全息声透镜材料声阻抗为Z_h，换能器表面材料声阻抗为Z_t，

为声波在全息声透镜中的波数，λ_h为声波在全息声透镜中的波长，为声波在主体材料中的波数，λ_m为声波在主体材料中的波长；

声波相位改变值和全息声透镜厚度的关系：

△φ(x,y)＝(k_m-k_h)△T(x,y)

T(x,y)＝T₀-△T(x,y)

T(x,y)为全息声透镜的各个点的厚度，T₀全息声透镜的初始设定值，为已知常数，△T(x,y)全息声透镜去除的厚度值；

(b)使用高精度激光雕刻机将初始厚度为T₀的全息声透镜各点去除△T(x,y)厚度，制得各点厚度为T(x,y)的全息声透镜；

(6)超声换能器产生超声经过全息声透镜，在储液槽中形成精密超声场；

(7)步骤(2)中的喷嘴阵列喷射微量光引发剂至主体材料表面声势井附近，并在主体材料表面超声场作用下实现自动汇聚成二维图形：

主体材料表面存在精密超声场构成的声势井，喷射至声势井附近的光引发剂在超声场梯度力和散射力的共同作用下俘获于声势井中，并汇聚成二维图形；

(8)紫外灯照射普通液态树脂表面，使步骤(7)中得到的二维图形固化：

紫外灯照射至主体材料表面，光引发剂在紫外灯的照射下吸收光子，发生能量交换或电子转移产生自由基或阳离子等活性基团引发主体材料单体聚合固化；

(9)超声换能器、全息声透镜下降一个固化层的高度；

(10)重复步骤(7)至步骤(9)完成所需件的增材制造得到毛坯件；

(11)对步骤(10)所得的毛坯件进行清洗，去支撑和表面打磨得到最终成型件。

2.根据权利要求1所述全息超声场面自成型增材制造方法，其特征在于，所述光引发剂的粒度为0.8-1μm。

3.根据权利要求1所述的全息超声场面自成型增材制造方法，其特征在于：所述光引发剂在主体材料中的分散体积分数为2％-4％。

4.一种全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：全息声透镜安装在聚焦超声换能器上，聚焦超声换能器和基板固定在升降台上，且基板位于聚焦超声换能器上方，高精密注射泵于喷头阵列相连，喷头阵列位于储液槽上方，紫外灯位于储液槽斜上方。

5.根据权利要求4所述的全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：聚焦超声换能器工作频率应大于0.5MHz。

6.根据权利要求4所述的全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：所述基板为透波材料。

7.根据权利要求6所述的全息超声场面自成型增材制造装置，其特征在于：所述透波材料为聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、环烯烃共聚物、云母、PEEK、ASA、PPS或LCP。