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CN113515020A - 增材制造系统 - Google Patents

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CN113515020A
CN113515020A CN202110455910.9A CN202110455910A CN113515020A CN 113515020 A CN113515020 A CN 113515020A CN 202110455910 A CN202110455910 A CN 202110455910A CN 113515020 A CN113515020 A CN 113515020A
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beams
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李韬
刘通
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王作斌
宋正勋
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Abstract

本发明提供了一种微纳光场调控与面投影立体光刻协同作用的增材制造系统。本发明将面投影立体光刻技术的大面积高速任意图形增材制造优势与激光干涉光场调控易实现纳米尺度结构的特点相结合，提出一种新型的微纳光场调控辅助面投影立体光刻的增材制造技术。该增材制造技术既避免了面投影立体光刻技术在增材制造微观体素精度方面的不足，又弥补了激光干涉微纳光场调控技术在任意图形增材制造方面的缺点，将突破宏观器件尺寸与微观体素精度互相矛盾的瓶颈。

Description

增材制造系统
技术领域
本发明涉及微纳结构加工技术领域，尤其涉及一种微纳光场调控与面投影立体光刻协同作用的增材制造系统。
背景技术
面投影立体光刻技术是一种利用紫外光固化光敏树脂形成三维立体图形的重要技术。该技术的发展已有二十多年，1997年Bertsch等基于扫描立体光刻技术的启示首次提出液晶显示器(LCD)作为动态掩模光固化3D打印技术，随后，基于空间光调制器和数字微反射镜(DMD)的面投影为立体光刻技术成为业界关注的重点。
在实现本发明的过程中，申请人发现传统面投影立体光刻技术无法同时实现微观尺度的打印。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明以期至少部分地解决以上技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
为了实现如上目的，本发明提供了一种增材制造系统，包括：三维位移平台；固化容器，固定于所述三维位移平台上，其内部形成用于容纳液态光敏材料的固化池；面投影设备，其发出面投影光投射至所述固化池内的液态光敏材料；微纳光场调控设备，其发出N束相干激光与所述面投影光汇聚，所述N束相干激光在汇聚点处发生干涉，产生干涉光，N≥2；其中，所述三维位移平台带动所述固化池移动，所述面投影光和干涉光共同作用，固化所述固化池内的液态光敏材料形成待加工工件主体，并在待加工工件主体上形成微米尺度或纳米尺度的凹凸条纹。
在本发明的一些实施例中，还包括：网格状导热体，固定于所述固化池内，呈环状绕设于所述待加工工件的外围，至少部分地浸没于所述液态光敏材料中。
在本发明的一些实施例中，所述网格状导热体呈平面状或圆筒状。
在本发明的一些实施例中，所述网格状导热体由铜线或银线编织而成；其中，所述铜线或银线的直径介于0.5mm至2mm之间，且经过黑化处理；所述网格状导热体的网格孔径介于5mm至8mm之间。
在本发明的一些实施例中，所述固化容器由铜、铝或铝合金材料制备，且固化池的侧壁做黑化处理。
在本发明的一些实施例中，对于所述N束相干激光：所述N束相干激光是由同一激光器发出的激光分束形成；所述N束相干激光入射所述液态光敏材料的入射角介于5°至50°之间；所述N束相干激光相对于第一平面对称，其中，所述第一平面为与所述待加工工件的加工面垂直的平面。
在本发明的一些实施例中，所述微纳光场调控设备包括：激光器，以及N个相干光路，用于将所述激光器发射的激光分束为N束相干激光；其中，所述N个相干光路中的每一个相干光路包括：光能量调节组件，用于对所在光路的激光进行相位和能量调节；光束规整组件，用于对所在光路的激光进行规整化处理。
在本发明的一些实施例中，所述光能量调节组件包括：波片和偏振元件；所述光束规整组件依次包括：第一平凸透镜、光学小孔、第二平凸透镜，其中，所述第一平凸透镜用于对激光进行聚焦；所述光学小孔设置于所述第一平凸透镜的焦平面处，用于过滤激光中的杂散光；所述第二平凸透镜用于实现过滤杂散光后激光的准直。
在本发明的一些实施例中，所述面投影光的功率介于1mW至30mW之间；波长介于405nm至455nm之间，光斑直径介于1mm至10mm之间；
所述激光器的功率介于10mW至100mW之间，波长介于355nm至455nm之间，光斑直径介于1mm至10mm之间。
在本发明的一些实施例中，所述液态光敏材料为ABS树脂、光刻胶或者PMMA材料。
(三)有益效果
从上述技术方案可知，本发明至少具有以下有益效果其中之一：
(1)将面投影立体光刻技术的大面积高速任意图形增材制造优势与激光干涉光场调控易实现纳米尺度结构的特点相结合，提出一种新型的微纳光场调控辅助面投影立体光刻的增材制造技术。
该增材制造技术既避免了面投影立体光刻技术在增材制造微观体素精度方面的不足，又弥补了激光干涉微纳光场调控技术在任意图形增材制造方面的缺点，将突破宏观器件尺寸与微观体素精度互相矛盾的瓶颈，形成满足任意图形宏微结构一体化高效3D打印技术，拓展激光干涉光场调控技术在微纳结构3D打印领域的应用。
(2)在待加工工件的外围设置网格状导热体，以实现快速传递固化过程中释放的热能，避免固化过程中产生的热量对微观精度产生影响。
(3)网状导热体由黑化处理后的铜线或者银线编织而成，能够尽可能地避免光敏树脂在固化过程中受到外界其他光线的干扰使其变性，同时有助于光敏树脂在固化过程中热量的挥发。
(4)固化池由黑化处理后的铜、铝或铝合金材料制备，能够尽可能地避免光敏树脂在固化过程中受到外界其他光线的干扰使其变性，同时有助于光敏树脂在固化过程中热量的挥发。
(5)由同一激光器发出的激光分束形成N束相干激光，并且该N束相干激光相对于与所述待加工工件的加工面垂直的平面对称，可以避免光学衍射效应，达到提升单元体素精度的效果。
(6)在每一相干激光的光路中设置有光能量调节组件，包含波片和偏振元件，通过调节光束的偏振态和能量，可实现凹纹和凸纹的快速转换以及结构深宽比的调节，从而达到灵活调整干涉固化特征尺寸的目的。
(7)在每一相干激光的光路中设置有光束规整组件，能够提高光束质量，进而提升待加工工件的加工精度。
附图说明
图1为本发明第一实施例增材制造系统的结构示意图。
图2A为图1所示增材制造系统中固化池和网格状导热体的示意图。
图2B为本发明另一实施例中固化池和网格状导热体的示意图。
图3为利用图1所示的增材制造系统制备的工件一的微观结构SEM图。
图4为利用图1所示的增材制造系统制备的工件二的微观结构SEM图。
图5为本发明第二实施例增材制造系统的结构示意图。
图6为利用图5所示的增材制造系统制备的工件的微观结构SEM图。
【附图中主要元件符号说明】
100-三维位移平台；
200-固化容器； 210-网格状导热体；
300-面投影设备；
400-微纳光场调控设备；
411-激光器；
421-第一平凸透镜； 422-光学小孔； 423-第二平凸透镜；
431-第一分光镜； 432-第一反射镜； 433-第一偏振镜；
441-第二分光镜； 442-第二反射镜； 443-第二偏振镜；
453-第三偏振镜； 454-第三反射镜；
471-第四反射镜。
具体实施方式
本发明将面投影立体光刻技术的大面积高速任意图形增材制造优势与激光干涉光场调控易实现纳米尺度结构的特点相结合，提出一种新型的微纳光场调控辅助面投影立体光刻的增材制造技术。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应当理解的是，提供这些实施例的目的仅是使得本发明满足法律要求，而本发明可以用许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例。
一、第一实施例
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种微纳光场调控与面投影立体光刻协同作用的增材制造系统。图1为本发明第一实施例增材制造系统的结构示意图。如图1所示，本实施例增材制造系统包括：
三维位移平台100；
固化容器200，固定于三维位移平台上，其内部形成用于容纳液态光敏材料的固化池；
面投影设备300，其发出面投影光投射至固化池内的液态光敏材料；
微纳光场调控设备400，其发出具有相干关系的三束相干激光与所述面投影光汇聚，并在汇聚点处发生干涉，产生干涉光；
其中，三维位移平台100带动固化池200移动，所述面投影光和干涉光共同作用，固化所述固化池200内的液态光敏材料形成待加工工件主体，并在待加工工件主体上形成微米尺度或纳米尺度的凹凸条纹。
可见，本实施例中，将面投影立体光刻技术的大面积高速任意图形增材制造优势与激光干涉光场调控易实现纳米尺度结构的特点相结合，提出一种新型的微纳光场调控辅助面投影立体光刻的增材制造技术。
该增材制造技术既避免了面投影立体光刻技术在增材制造微观体素精度方面的不足，又弥补了激光干涉微纳光场调控技术在任意图形增材制造方面的缺点，将突破宏观器件尺寸与微观体素精度互相矛盾的瓶颈，形成满足任意图形宏微结构一体化高效3D打印技术，拓展激光干涉光场调控技术在微纳结构3D打印领域的应用。
本领域技术人员应当能够理解，虽然本实施例中采用的是三束激光产生干涉光来和面投影光一起加工待加工工件，但是激光束的个数可以根据需要进行调整，可以是二、四、五、六或者更多束，只要激光束具有相干关系和足够的能量，能够形成待加工工件主体和其上的干涉条纹即可。
本实施例中，三维位移平台100采用商用的位移平台。可以理解的是，在某个时间点，面投影光和干涉光共同作用，将聚汇点处的液态光敏材料固化，而后三维位移平台带动固化池和其中的液态光敏材料移动，面投影光和干涉光共同作用，又将汇聚点处新的光敏材料固化，不断固化的光敏材料最终形成待加工工件。
可见，待加工工件的形状是由三维位移平台的运动所决定的，因此，需要事先根据待加工工件的形状、液态光敏材料的性质等设计三维运动平台的运动轨迹以及运动速率。
请继续参照图1，固化池200为容置液态光敏材料的容器。光敏材料可以为SLA桌面级光敏树脂、ABS树脂、光刻胶、PMMA等材料，其对光和热非常敏感。
在制备待加工工件的过程中，面投影光和激光的大部分能量被用于光敏树脂的固化，但也有少部分的光会转换为热量。随着加工的进行，热量积累越来越多，就会对液态光敏材料的性能产生很大的影响，造成后续工艺的不可控性增大，成型质量降低。
为了达到固化区域快速降温的目的，在不影响光传输的前提下，采用铜、铝或铝合金等传热性较好的材料来制备固化池。同时，为了尽可能在制备过程中充分吸收固化过程中的杂散光，对固化池的内侧壁做黑化处理。
进一步地，本实施例中，在固化池内，待加工工件的外围设置网格状导热体210，以实现快速传递固化过程中释放的热能，避免固化过程中产生的热量对微观精度产生影响。
图2A为图1所示增材制造系统中固化池和网格状导热体的示意图。如图2A所示，本实施例中，网格状导热体210呈平面网格形状，设于所述待加工工件的外围，浸没于所述液态光敏材料中。
但本发明并不以此为限，在本发明其他实施例中，网格状导热体还可以呈圆筒形状，如图2B所示。并且，该网格状导热体也并非要全部浸没于液态树脂中，只要是部分地浸没于液态树脂中，能够将热量导出即可。此外，网格状导热体所呈现的环形，可以是圆环形，也可以是方环形。同样地，环形还可以半环形或者部分环形，均在本发明地保护范围之内。
关于面投影设备300，在本实施例中为投影仪。请参照图1，该投影仪所发出的投影光自上而下垂直入射液态光敏材料。投影光的功率介于1mW至30mW；波长介于405nm至455nm之间；在液态光敏材料上光斑的大小为：1mm至10mm之间。
请继续参照图1，本实施例中，微纳光场调控设备400包括：激光器411，光束规整组件、第一分光光路组件、第二分光光路组件和主分光光路组件。
激光器411为飞秒或纳秒紫外光连续激光器，其发出激光的波长为360nm，激光功率大于50mw。
但本领域技术人员应当能够理解，还可以选择其他类型的激光器。在选择激光器时，其应当满足：功率介于10mW至100mW之间，波长介于355nm至455nm之间，光斑直径介于1mm至10mm之间。
光束规整组件，用于对激光器发出的连续激光进行规整化。该光束规整组件包括：第一平凸透镜421、光学小孔422、第二平凸透镜423，其中，所述第一平凸透镜421用于对激光进行聚焦；所述光学小孔422设置于所述第一平凸透镜的焦平面处，用于过滤激光中的杂散光；所述第二平凸透镜423用于实现过滤杂散光后激光的准直，成为平行光。
第一分光光路组件用于从主光路中分出第一相干光束。该第一分光组件包括：第一分光镜431、第一反射镜432、第一偏振镜433。其中，第一分光镜为2：1分光镜，即有2/3的光束能量透过第一分光镜431，保留在主光路中；有1/3的光束能量被第一分光镜431反射，进入第一分光光路。第一反射镜432将进入第一分光光路中的激光反射至总反射镜461，再由其反射至液态光敏树脂表面，形成第一相干光束。在第一分光光路中，第一偏振镜433在激光功率范围内调节激光束的功率密度。
第二分光光路组件从透过第一分光镜的光束中再分出第二相干光束。该第二分光光路组件包括：第二分光镜441、第二反射镜442、第二偏振镜443。其中，第二分光镜441为1：1分光镜，即有1/2的光束能量透过第二分光镜441，保留在主光路中；有1/2的光束能量由第二分光镜反射，进入第二分光光路。第二反射镜442将进入第二分光光路中的激光反射至总反射镜461，再由其反射至液态光敏树脂表面，形成第二相干光束。在第二分光光路中，第二偏振镜443在激光功率范围内调节激光束的功率密度。
主光路组件包括：第三偏振镜453。透过第二分光镜的光束能量进入主光路中，该第三偏振镜453对主光路中，在激光功率范围内调节激光束的功率密度。而后，激光光束被总反射镜461反射至液态光敏树脂表面，形成第三相干光束。
由第一分光镜431、第二分光镜441的分光比可以确定，第一、第二、第三激光光束的功率密度比为1：1：1。此外，通过调整第一反射镜432、第二反射镜442、总反射镜461、第一、第二、第三激光光束入射液态光敏树脂的角度均为5°。根据入射角度，可以计算出形成干涉点阵的周期T＝2μm。
需要说明的是，如上的功率密度比、入射角度均仅为示例，本领域技术人员可以根据需要进行如上参数的调整。
本实施例中，由三束干涉光照射在光敏树脂后通过Z方向位移平台每次500微米的上升(或下降)，制备出高度约为2cm的圆柱形立体结构。图3为利用图1所示的增材制造系统制备的工件一的微观结构SEM图。由图3可知，在立体结构表面可观察到周期为2微米的点阵结构。由此可知，利用本实施例制备的工件在形成宏观图案的同时具有微纳米结构。
还需要说明的是，对于本实施例的增材制造系统，可以通过改变三维位移平台在Z方向上升和下降的步长和/或激光入射角来调整工件表面的干涉结构，本实施例的另一次应用中，三束激光的入射角为10°，上升和下降的步长为50微米。此外，三束激光关于与待加工组件垂直的平面内成中心对称分布，即为0°、120°和240°。三束激光的入射角均为10°，干涉图案周期为1微米。
图4为利用图1所示的增材制造系统制备的工件二的微观结构SEM图。由图4可知，由三束干涉光作用于光敏树脂表面，每固化一次Z方向位移平台上升(或下降)50微米所制备的工件表面具有特别明显的彩虹色以及1微米周期的点阵结构，彩虹色产生是因为光在点阵结构表面产生了漫反射。
二、第二实施例
图5为本发明第二实施例增材制造系统的结构示意图。请参照图5，本实施例与第一实施例类似，区别在于：微纳光场调控设备400，其发出具有相干关系的两束激光与所述面投影光汇聚，并在汇聚点处发生干涉，产生干涉光。
在图5所示的光路中，用第五反射镜471代替了图1中的第二分光镜441，同时取消了第三偏振镜453。
本实施例中，该两束激光关于与待加工组件垂直的平面对称分布，即为0°和180°。两束激光的入射角均为5°，干涉图案周期为2微米。通过偏振镜精准控制各光束的光强和偏振角度以及位移平台的移动速度，可形成立体结构。
图6为利用图6所示的增材制造系统制备的工件的微观结构SEM图。如图6所示，由两束干涉光作用于光敏树脂表面，每固化一次Z方向位移平台上升(或下降)100微米，所制备工件的高度约为3mm，工件表面具有周期为2微米的条纹结构。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。
需要说明的是，对于某些实现方式，如果其并非本发明的关键内容，且为所属技术领域中普通技术人员所熟知，则在附图或说明书正文中并未对其进行详细说明，此时可参照相关现有技术进行理解。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明有了清楚地认识。
综上所述，本发明提供一种将面投影立体光刻技术的大面积高速任意图形增材制造优势与激光干涉光场调控易实现纳米尺度结构的特点相结合，提出一种新型的微纳光场调控辅助面投影立体光刻的增材制造技术。
该增材制造技术既避免了面投影立体光刻技术在增材制造微观体素精度方面的不足，又弥补了激光干涉微纳光场调控技术在任意图形增材制造方面的缺点，将突破宏观器件尺寸与微观体素精度互相矛盾的瓶颈，形成满足任意图形宏微结构一体化高效3D打印技术，拓展激光干涉光场调控技术在微纳结构3D打印领域的应用，具有广阔的应用前景。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语的具体含义。
除非明确指明为相反之意，本发明的说明书及权利要求中的数值参数可以是近似值，能够根据通过本发明的内容改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”、“主”、“次”，以及阿拉伯数字、字母等，以修饰相应的元件或步骤，其本意仅用来使具有某命名的一元件(或步骤)得以和另一具有相同命名的元件(或步骤)能做出清楚区分，并不意味着该元件(或步骤)有任何的序数，也不代表某一元件(或步骤)与另一元件(或步骤)的顺序。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造系统，其特征在于，包括：
三维位移平台；
固化容器，固定于所述三维位移平台上，其内部形成用于容纳液态光敏材料的固化池；
面投影设备，其发出面投影光投射至所述固化池内的液态光敏材料；
微纳光场调控设备，其发出N束相干激光与所述面投影光汇聚，所述N束相干激光在汇聚点处发生干涉，产生干涉光，N≥2；
其中，所述三维位移平台带动所述固化池移动，所述面投影光和干涉光共同作用，固化所述固化池内的液态光敏材料形成待加工工件主体，并在待加工工件主体上形成微米尺度或纳米尺度的凹凸条纹。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，还包括：
网格状导热体，固定于所述固化池内，呈环状绕设于所述待加工工件的外围，至少部分地浸没于所述液态光敏材料中。
3.根据权利要求2所述的增材制造系统，其特征在于，所述网格状导热体呈平面状或圆筒状。
4.根据权利要求2所述的增材制造系统，其特征在于，所述网格状导热体由铜线或银线编织而成；
其中，所述铜线或银线的直径介于0.5mm至2mm之间，且经过黑化处理；所述网格状导热体的网格孔径介于5mm至8mm之间。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，所述固化容器由铜、铝或铝合金材料制备，且固化池的侧壁做黑化处理。
6.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，对于所述N束相干激光：和/或
所述N束相干激光是由同一激光器发出的激光分束形成；和/或
所述N束相干激光入射所述液态光敏材料的入射角介于5°至50°之间；和/或
所述N束相干激光相对于第一平面对称，其中，所述第一平面为与所述待加工工件的加工面垂直的平面。
7.根据权利要求1所述的增材制造系统，其特征在于，所述微纳光场调控设备包括：
激光器，以及
N个相干光路，用于将所述激光器发射的激光分束为N束相干激光；
其中，所述N个相干光路中的每一个相干光路包括：光能量调节组件，用于对所在光路的激光进行相位和能量调节；光束规整组件，用于对所在光路的激光进行规整化处理。
8.根据权利要求7所述的增材制造系统，其特征在于：
所述光能量调节组件包括：波片和偏振元件；
所述光束规整组件依次包括：第一平凸透镜、光学小孔、第二平凸透镜，其中，所述第一平凸透镜用于对激光进行聚焦；所述光学小孔设置于所述第一平凸透镜的焦平面处，用于过滤激光中的杂散光；所述第二平凸透镜用于实现过滤杂散光后激光的准直。
9.根据权利要求7所述的增材制造系统，其特征在于：
所述面投影光的功率介于1mW至30mW之间；波长介于405nm至455nm之间，光斑直径介于1mm至10mm之间；
所述激光器的功率介于10mW至100mW之间，波长介于355nm至455nm之间，光斑直径介于1mm至10mm之间。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的增材制造系统，其特征在于，所述液态光敏材料为ABS树脂、光刻胶或者PMMA材料。
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