[发明专利]具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置

说明书

本发明公开了一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置。装置包含声表面波换能器、光预聚物、紫外固化灯和电动Z轴滑台，声表面波换能器沿圆周阵列分布，光预聚物置于换能器工作区域，紫外固化灯位于换能器下方以照射光预聚物，电动Z轴滑台位于上方以粘附单层微结构；声表面波换能器激发出不同超声能场，光预聚物表面产生周期性形貌，紫外固化灯照射光预聚物固化，获得具有周期性形貌的单层微结构，通过电动Z轴滑台的抬升运动粘附多个单层微结构，实现三维微结构成形。本发明能快速制造出三维微结构，不需要掩膜版和模具，并且对设备要求较低，具有操作简单、成本低和效率高的特点。

技术领域

本发明涉及快速成形技术，尤其涉及一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置。

技术领域

随着科学研究对材料要求的日益提高，有复杂空间形貌的三维微结构具有非常广泛的研究空间与应用价值。由于其密度低、力学性能好及结构特殊等优势，采用高分子材料制造的三维微结构在许多方面可以替代常规金属。例如，选用陶瓷和高分子聚合物作为人体骨骼仿生材料，可以制造出类似骨松质和骨密质的空间微孔，在部分场合来替代常规的钛合金骨骼。将三维多孔材料作为载体进行催化剂涂覆，能有效增加反应面积，因而大大提高反应速率。此外，采用生物功能材料制作的三维微结构可以模拟细胞生长的天然环境，因此在器官芯片、药物筛选和细胞疗法等研究方面具有重要作用。

广泛采用的制造微结构的方法有光刻、微压印和三维打印等。由于制造精度高和工艺成熟，光刻在微机电系统(MEMS)领域有不可替代的作用。微压印，也是基于光刻技术发展而来。光刻和微压印的绝对优势是制造精度高，但是受制造原理的制约，这两种方法只适合制造二维微结构。3D打印可用于制造三维微结构，并且在生物医学和能源领域已有了广泛的应用。3D打印是一种层叠制造，因此微米尺度的阶梯效应是无法避免的。此外，上述三种方法对机器设备和制造环境条件的要求很高，因而增加了制造成本。另外一点，上述方法都需要使用物理模具，比如掩膜版，尤其是光刻，所以在制造每一种微结构之前，都需要制作对应的掩膜版，因而制造周期较长，方法和设备的灵活性也因此受到制约。对于3D打印，弱化阶梯效应的有效途径就是减小层厚，而带来负面影响就是更高设备要求和更长制造周期。

综上所述，现有技术中缺少了一种快速、精度高、成本低和灵活性高的三维微结构制造装置和方法。

发明内容

为解决常规微结构制造方法和设备存在的问题，利用超声能场作用下微流体表面产生形态变化这一物理规律，结合紫外光固化技术，本发明提出了一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法及装置。

本发明利用多对声表面波换能器激发的超声能场，使光预聚物表面产生周期性形貌，通过调节超声能场的频率、幅值以及叠加数量，改变表面形貌的周期、高度、出现区域以及分布特征，然后利用紫外光照射固化进行单层微结构制造，最后通过垂直于成形平面的方向的叠加实现三维微结构的快速成形。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种具有超声能场辅助的三维微结构快速成形方法，包括以下各步骤：

1)在光学隔振平台上放置至少三对声表面波换能器，至少三对声表面波换能器在沿圆周方向呈等间隔阵列布置，圆周的中心作为声表面波换能器的工作区域，声表面波换能器朝向圆周的中心发射超声波以产生超声能场，

2)将光预聚物均匀涂覆在声表面波换能器的工作区域，将驱动装置与声表面波换能器相连，调节驱动装置的输出参数使换能器朝在工作区域激发稳定的超声能场，光预聚物的上表面在超声能场作用下产生稳定分布的周期性形貌；

3)采用紫外固化灯照射稳定分布周期性形貌的光预聚物，获得具有周期性形貌的单层微结构；

4)位于工作区域上方的电动Z轴滑台下降，将步骤3)获得的单层微结构上表面粘附到电动Z轴滑台上的粘板底面，再上升使得单层微结构和工作区域分离，从而制造获得具有周期性形貌的单层微结构；