一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备的制造方法
【专利摘要】本发明提出一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备,该设备选用液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，根据计算机仿真数据得到的微结构空间排布生成目标声场参数及其对应的相控阵超声控制参数，同时根据所设计超材料的几何构型可直接生成打印文件；生成的源数据分别传送至基于相控阵的超声俘获系统和基于立体光固化成型的3D打印设备；基于相控阵的超声俘获系统在液态光敏树脂中同时产生多个既定分布的声压节点，将人造微结构俘获于各声压节点中，使其按照设计的拓扑结构有序排列；基于立体光固化成型的3D打印设备采用面光源，分不同层厚固化人造微结构下方液体基材、人造微结构同一平面周围的液态基材及人造微结构上方液体基材。
【专利说明】
一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备
技术领域
[0001]本发明属于超材料制造技术领域，具体涉及一种利用超声辅助非接触夹持技术制备具有二维拓扑结构超材料的光固化3D打印设备。
【背景技术】
[0002]超材料由于具有天然材料不具备的超常物理性质，从而摆脱了传统材料诸多表观自然规律的限制，极大拓展了电磁学、光学、声学等学科的研究范畴，在航天、航空、电子、通信、生物医学领域里展现了巨大的潜在价值和应用前景。超材料本质上为人工复合结构或复合材料，其通过在亚波长的材料特征尺度上进行有序结构设计，实现赋予的特定功能。超材料一般由有序排列的多个超材料单元组成，而每个超材料单元包括非金属基板和附着在基板表面上或嵌入在基板内部的人造微结构，具有不同于基板本身的电、磁、力学特性。因此，整个超材料在宏观上对电场、磁场及声场呈现出特殊的响应特性。通过对人造微结构构型的设计，可以相应改变超材料的响应特性。因此，其内部的人造微结构空间排序的设计并按照这个有序结构排布实现整体的制备是关系到超材料研究发展及商业化应用推广的关键所在。考虑到超材料的特殊性质在很大程度上取决于自身关键物理尺度，通常人造结构的尺寸应为所需响应波长的十分之一，否则这些人造结构所组成的排列在空间中不能被视为连续，因此声学超材料内部微结构和排序需向数十微米级别的特征尺度发展。
[0003]现有超材料的加工方法仅能制备二维平板型超材料，通过在刚性PCB板或PS板上制作金属微结构完成，受加工工艺的制约，基板材料的可选择范围受到很大限制，例如FR-
4、F4b等材料。近年来，以材料累积成型为3D打印技术为超材料提供了全新的实现手段，其以数字化三维模型为基础，通过逐层打印、分层叠加的方式构造三维实体，突破了传统加工技术在产品外形和制造上的限制。根据具体打印方式不同，3D打印技术可分为三维粉末粘结成型(3DP)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、立体光固化成型(SLA)等。目前，基于熔融沉积成型的3D打印技术由于其所使用的热塑性材料的常温下固体属性，可以通过多个喷嘴和料盒方便地实现用不同材料的制备复杂结构，然而其只能使用同一类型原材料进行打印，无法引入金属、硅基材料的微结构，致使基底与微结构的性能对比不十分突出，限制了超材料的预期性能表现。另一方面，基于立体光固化成型的3D打印方法由于其需要在液体环境中工作，现有设备还无法在维持液体环境中人造微结构有序排列的同时，固化基底材料。
[0004]超声波作为一种机械波，具有动量和角动量，通过对声场中物体的散射效应，产生作用于其上的辐射力。微颗粒或者微构件在辐射力场的作用下，稳定的俘获在合成声场中的声势阱即声压节点位置，近年来超声波的这种力学特性在液体环境中微颗粒的俘获、聚集及分拣方面已证实了较好的应用潜力。另外，相控阵超声技术的突飞猛进为合成具有任意声压空间分布的声场提供了便捷手段。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述超材料制造技术的不足以及现有3D打印设备的各种局限，提供一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，通过相控阵超声阵列在液态光敏树脂中营造空间可控声场，实现光固化制造环境中规则排布微结构的非接触夹持，从而形成既定拓扑结构，解决现有基于立体光固化成型的3D打印设备无法实现两种不同材质制备同一结构的问题;本发明所提出的设备具有适应性强、操作方便等诸多优点，可以根据计算机仿真数据得到的微结构空间排布生成目标声场参数及其对应的相控阵超声控制参数，实现光敏树脂中既定拓扑结构的非接触式稳定加持;同时根据所设计超材料的几何构型可直接生成打印文件，指导3D打印机;整个制造过程易于实现自动化，相控阵超声阵列为液体环境中微结构任意形式分布的实现提供了强有力的手段。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，同时使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行目标超材料实体进行3D打印，其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料。
[0008]所述光固化打印设备包括带有PXI总线的上位机、基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统和基于立体光固化成型的3D打印子系统。其中带有PXI总线的上位机用于计算机辅助设计超材料的几何构型和人造微结构的二维空间拓扑排序，从而自动化生成目标声场参数及3D打印文件；同时为基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统及基于立体光固化成型的3D打印子系统提供总线接口，将生成的目标声场参数通过PXI总线发送至基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统，并显示当前3D打印进度。基于相控阵的超声俘获子系统用于在液态光敏树脂中营造空间可控声场，实现光固化制造环境中规则排布微结构的非接触夹持，从而形成既定拓扑结构。所述和基于立体光固化成型的3D打印子系统用于固化包围人造微结构周围的液态光敏树脂，形成目标超材料的基材。
[0009]所述基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统包括控制模块、依次相连的多通道信号发生模块、功率放大模块、阻抗匹配模块、换能器阵列及其换能器阵列支架。其中控制模块通过PXI总线与上位机相连，根据由计算机仿真数据得到的与微结构空间直接相关的目标声场参数，计算相控阵超声各通道的幅值、相位等控制参数。多通道信号发生模块根据控制模块发送的控制参数，通过直接数字合成技术生成连续正弦信号。功率放大模块将多通道信号发生模块生成的连续正弦信号放大为峰值60V的驱动信号。阻抗匹配模块根据接入的换能器阵列及电路的阻抗，自动选择需要接入的匹配电阻和电感，保证换能器处于最佳工作状态。所述换能器阵列为封闭环形，由64路厚度方向振动的压电陶瓷换能器构成，单个换能器福射面为8mm X 16mm的矩形，中心频率为IMhz，换能器间距为5mm;为了减小相向换能器引起的反射波，每个换能器都具有匹配层;各路驱动信号加载于各换能器单元，从而在液态光敏树脂中同时产生多个既定分布的声压节点，人造微结构受到声辐射力的作用稳定地俘获于各声压节点中，从而形成所设计的有序排列人造微结构。
[0010]所述基于立体光固化成型的3D打印子系统包括储液槽、紫外光源、升降工作台、基于PXI总线的运动控制模块。其中储液槽上部开口，用于放置液态可光聚合材料，同时换能器阵列通过换能器支架置于储液槽内。紫外光源为LED面光源，强度大于6W/cm2，发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线，从储液槽的上部射入储液槽;首先聚焦于升降工作台的上表面，根据所设计的超材料几何尺寸，固化人造微结构所在层下方液态光敏树脂，分层数根据总体厚度选择;然后降低工作台，将紫外光源聚焦在俘获有微结构的平面，固化包裹有序微结构的基材;最后继续降低工作台，将紫外光源聚焦在内嵌有微结构的基材层的上方，固化超材料其余基材。而升降工作台位于储液槽内，包括步进电机、升降导轨和底座，用于保证当前加工平面始终位于紫外光源焦距上。基于PXI总线的运动控制模块通过PXI总线与上位机相连，根据3D打印文件生成的控制产生响应的脉冲信号驱动步进电机，实现升降工作台的上下运动。
[0011]本装置所适用的固体微粒为金属微球、高分子微球或碳纳米管，其特征尺寸介于20-100微米，具体尺寸根据所制备超材料目标功能而选取。
[0012]本发明和现有技术相比，具有如下优点:
[0013]1、本发明所述方法可以制备由不同材料基体与微结构组成的具有二维空间拓扑排序的超材料。
[0014]2、所述方法使用有限元计算得到的目标超材料的几何构型和拓扑结构作为超材料设计和制造的源数据，易于实现自动化生产，提高生产效率。
[0015]3、所述方法可以实现具有任意微结构拓扑结构的超材料的制备，适应性强、操作方便、具有更尚的制造精度。
【附图说明】
[0016]图1为一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备的系统框图。
[0017]图2为基于立体光固化成型的3D打印子系统结构示意图。
[0018]图3为利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备的具体工作过程示意图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图，对本发明作进一步的详细描述。
[0020]本发明提出一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，同时使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行目标超材料实体进行3D打印，其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料。液态光敏树脂容置于具有透明槽底的储液槽中，其固化对应波长为365?405nm，动力粘度在小于0.25Pa.s，过高的粘度将减弱超声场在液态光敏树脂产生的辐射力的俘获能力。
[0021 ]作为人造微结构的固体微粒分散于少量液态光敏树脂中并装入移液管，固体微粒分散于液态光敏树脂前进行表面活性处理，使其易于在液态光敏树脂中分散，选用固体微粒的特征尺寸介于20-100微米，具体尺寸根据所制备超材料目标功能而选取，作为一种优选方式，固体微粒为金属微球、高分子微球、碳纳米管等。固体颗粒在液态光敏树脂中的体积分数不超过I %。
[0022]如图1所示，一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，包括带有PXI总线的上位机1、基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统2和基于立体光固化成型的3D打印子系统3。其中带有PXI总线的上位机I用于计算机辅助设计超材料的几何构型和人造微结构的二维空间拓扑排序，从而自动化生成目标声场参数及3D打印文件；同时为基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统2及基于立体光固化成型的3D打印子系统3提供总线接口，将生成的目标声场参数通过PXI总线发送至基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统2，并显示当前3D打印进度。而基于相控阵的超声俘获子系统2用于在液态光敏树脂中营造空间可控声场，实现光固化制造环境中规则排布微结构的非接触夹持，从而形成既定拓扑结构。基于立体光固化成型的3D打印子系统3用于固化包围人造微结构周围的液态光敏树脂，形成目标超材料的基材。
[0023]基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统2包括控制模块201、依次相连的多通道信号发生模块202、功率放大模块203、阻抗匹配模块204、换能器阵列205及其换能器阵列支架206。其中控制模块201通过PXI总线与带有PXI总线的上位机I相连，根据由计算机仿真数据得到的与微结构空间直接相关的目标声场参数，计算相控阵超声各通道的幅值、相位等控制参数。多通道信号发生模块202根据控制模块发送的控制参数，通过直接数字合成技术生成连续正弦信号。功率放大模块203将多通道信号发生模块生成的连续正弦信号放大为峰值60V的驱动信号。而阻抗匹配模块204根据接入的换能器阵列及电路的阻抗，自动选择需要接入的匹配电阻和电感，保证换能器处于最佳工作状态。
[0024]换能器阵列205为封闭环形，由64路厚度方向振动的压电陶瓷换能器构成，单个换能器福射面为8mmX 16mm的矩形，中心频率为IMhz，换能器间距为5mm；为了减小相向换能器引起的反射波，每个换能器都具有匹配层;各路驱动信号加载于各换能器单元，从而在液态光敏树脂中同时产生多个既定分布的声压节点，人造微结构受到声辐射力的作用稳定地俘获于各声压节点中，从而形成所设计的有序排列人造微结构。
[0025]如图2所示，基于立体光固化成型的3D打印子系统包括储液槽301、紫外光源302、升降工作台303、基于PXI总线的运动控制模块304;所述储液槽上部开口 301，用于放置液态可光聚合材料，同时换能器阵列205通过环形换能器支架206置于储液槽内。升降工作台303位于储液槽301内，包括步进电机305、升降导轨306和圆形底座307，用于保证当前加工平面始终位于紫外光源焦距上。环形换能器支架206通过固定于储液槽底部的支撑柱实现与圆形底座307同心布置，两者间隙为5mm。而基于PXI总线的运动控制模块304通过PXI总线与上位机I相连，根据3D打印文件生成的控制产生响应的脉冲信号驱动步进电机305，实现升降工作台303的上下运动。紫外光源302为LED面光源，强度大于6W/cm2，发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线，从储液槽的上部射入储液槽301。
[0026]如图3所示，本发明提出的利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备的工作流程，紫外光源301首先聚焦于升降工作台303的上表面，根据所设计的超材料几何尺寸，固化人造微结构所在层下方液态光敏树脂，分层数根据总体厚度选择。然后降低工作台303，将将移液管中的光敏树脂与人造微结构的混合物加入储液槽中合成声场的大致位置，保持一段时间后人造微结构稳定的俘获于声场中的节点位置，形成预期的二维空间拓扑排序，然后将紫外光源聚焦在俘获有微结构的平面，固化包裹有序微结构的基材;最后继续降低工作台303，将紫外光源聚焦在内嵌有微结构的基材层的上方，固化超材料的其余基材。
【主权项】
1.一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，其特征在于:同时使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行目标超材料实体进行3D打印，其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料； 所述光固化打印设备包括带有PXI总线的上位机(I)、基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统(2)和基于立体光固化成型的3D打印子系统(3); 所述带有PXI总线的上位机(I)用于计算机辅助设计超材料的几何构型和人造微结构的二维空间拓扑排序，从而自动化生成目标声场参数及3D打印文件；同时为基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统(2)及基于立体光固化成型的3D打印子系统(3)提供总线接口，将生成的目标声场参数通过PXI总线发送至基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统(2)，并显示当前3D打印进度； 所述基于相控阵的超声俘获子系统(2)用于在液态光敏树脂中营造空间可控声场，实现光固化制造环境中规则排布微结构的非接触夹持，从而形成既定拓扑结构； 所述和基于立体光固化成型的3D打印子系统(3)用于固化包围人造微结构周围的液态光敏树脂，形成目标超材料的基材。2.根据权利要求1所述的一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，其特征在于:所述基于PXI总线的相控阵的超声俘获子系统(2)包括依次相连的控制模块(201)、多通道信号发生模块(202)、功率放大模块(203)、阻抗匹配模块(204)、换能器阵列(205)及换能器阵列支架(206); 所述控制模块(201)通过PXI总线与带有PXI总线的上位机(I)相连，根据由计算机仿真数据得到的与微结构空间直接相关的目标声场参数，计算相控阵超声各通道的幅值、相位控制参数； 所述多通道信号发生模块(202)根据控制模块(201)发送的控制参数，通过直接数字合成技术生成连续正弦信号； 所述功率放大模块(203)将多通道信号发生模块(202)生成的连续正弦信号放大为峰值为60V的驱动信号； 所述阻抗匹配模块(204)根据接入的换能器阵列及电路的阻抗，自动选择需要接入的匹配电阻和电感，保证换能器处于最佳工作状态； 所述换能器阵列(205)为封闭环形，由64路厚度方向振动的压电陶瓷换能器构成，单个换能器福射面为8mmX 16mm的矩形，中心频率为IMhz，换能器间距为5mm;为了减小相向换能器引起的反射波，每个换能器都具有匹配层;各路驱动信号加载于各换能器单元，从而在液态光敏树脂中同时产生多个既定分布的声压节点，人造微结构受到声辐射力的作用稳定地俘获于各声压节点中，从而形成所设计的有序排列人造微结构。3.根据权利要求1所述的一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，其特征在于:所述基于立体光固化成型的3D打印子系统(3)包括储液槽(301)、紫外光源(302)、升降工作台(303)、基于PXI总线的运动控制模块(304); 所述储液槽(301)上部开口，用于放置液态可光聚合材料，同时换能器阵列(205)通过换能器支架(206)置于储液槽(301)内； 所述紫外光源(302)为LED面光源，强度大于6W/cm2，发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的紫外光线，从储液槽的上部射入储液槽;首先聚焦于升降工作台的上表面，根据所设计的超材料几何尺寸，固化人造微结构所在层下方液态光敏树脂，分层数根据总体厚度选择;然后降低工作台，将紫外光源聚焦在俘获有微结构的平面，固化包裹有序微结构的基材;最后继续降低工作台，将紫外光源聚焦在内嵌有微结构的基材层的上方，固化超材料其余基材； 所述升降工作台(303)位于储液槽内(301)，包括步进电机(305)、步进电机(305)控制的升降导轨(306)和底座(307)，用于保证当前加工平面始终位于紫外光源(302)焦距上； 所述基于PXI总线的运动控制模块(304)通过PXI总线与带有PXI总线的上位机(I)连接，根据3D打印文件生成的控制产生响应的脉冲信号驱动步进电机(305)，实现升降工作台(303)的上下运动。4.根据权利要求1所述一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，其特征在于:所述的固体微粒为金属微球、高分子微球或碳纳米管，其特征尺寸介于20-100微米，具体尺寸根据所制备超材料目标功能而选取。5.根据权利要求1所述一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，其特征在于:所述液态光敏树脂的固化对应波长为365?405nm，动力粘度在小于0.25Pa.S。6.根据权利要求1所述一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备，其特征在于:所述固体微粒分散于液态光敏树脂前进行表面活性处理。
【文档编号】B29C67/00GK106079439SQ201610416137
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610416137.4, CN 106079439 A, CN 106079439A, CN 201610416137, CN-A-106079439, CN106079439 A, CN106079439A, CN201610416137, CN201610416137.4
【发明人】贾坤, 罗亚军
【申请人】西安交通大学