[发明专利]一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法

摘要

本发明提出一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法,该方法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，根据计算机有限元计算的结果设计目标超材料的几何构型和拓扑结构，将源数据生成打印文件和全息图像文件，并分别传送至基于立体光固化成型的3D打印设备和基于衍射光学器件的全息光镊；全息光镊根据全息图像文件在液态光敏树脂中同时产生多个既定分布的光势阱，将人造微结构俘获于各势阱中，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打印设备将打印焦距设置在人造微结构所排列的深度，固化液体原始基材；根据打印文件不断叠层制造，可以方便制备具有不同材料基体与微结构组成的三维复杂曲面超材料。

主权项

一种基于全息光镊的超材料光固化3D打印方法，其特征在于，目标超材料实体同时使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行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有序排列的人造微结构的三维复杂曲面超材料；具体打印方法包括如下步骤：(1)将所述液态光敏树脂容置于具有透明槽底的储液槽中；(2)将所述作为人造微结构的固体微粒分散于少量液态光敏树脂中形成的混合物并装入移液管备用；固体微粒分散于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；(3)计算机辅助设计超材料的三维模型使用计算机的有限元程序数值计算电磁波、声波在超材料中传播的过程，从而得到满足既定功能超材料的的几何构型和拓扑结构，并通过计算机辅助设计得到所需制造超材料的三维模型；(4)生成打印文件和全息图像文件将三维模型进行前处理和分层处理后导入立体光固化成型的3D打印设备，设置支撑及工艺参数，最终生成打印文件；同时将三维模型分层处理后输出生成包含人造微结构空间排序信息的全息图像文件导入全息光镊；(5)全息光镊在储液槽中生成光势阱全息图像的相位信息进行数字编码后影射到全息光镊的液晶空间光调制器,单束固态激光经液晶空间光调制器后分裂为多束激光，经望远镜、反射镜及物镜后，从储液槽上部或储液槽的透明槽底部入射，在液态光敏树脂中形成与所制造超材料中微结构具有相同排序方式的光势阱；(6)固体微粒俘获于各光势阱中将移液管中的混合物加入储液槽中生成光势阱的大致位置，分散于液态光敏树脂中的固体微粒受到散射力和梯度力的联合作用，聚集在各光势阱中，从而形成所设计的有序排列人造微结构；(7)打印有序微结构所在平面的基材立体光固化成型的3D打印设备的光源系统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透明槽底部或储液槽的上部射入，首先聚焦于俘获有微结构的有序光势阱所在平面，光固化包裹有序微结构的基材；当步骤(5)所述的多束激光经望远镜、反射镜及物镜后从储液槽上部入射时，则立体光固化成型的3D打印设备的光源系统发出与液态光敏树脂聚合反应对应波长相一致的的紫外光线从储液槽的透明槽底部；当步骤(5)所述的多束激光经望远镜、反射镜及物镜，后从储液槽的透明槽底部入射时，则立体光固化成型的3D打印设备的光源系统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；(8)分层打印有序微结构所在固化层下方的基材关闭全息光镊，分层打印步骤(7)中已固化的有序微结构所在层下方的基材，得到所设计超材料的下半部分；(9)分层打印有序微结构所在固化层上方的基材将步骤(8)中得到的所设计超材料的下半部分上下反转，分层打印步骤(7)中已固化的有序微结构所在层上方的基材，最终得到所设计超材料；(10)后处理对所制造超材料进行清洗、去支撑和表面打磨。