本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超材料制造
，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。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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；本专利技术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。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：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。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。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，单个换能器辐射面为8mm×16mm的矩形，中心频率为1Mhz，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。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。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。本专利技术和现有技术相比，具有如下优点：1、本专利技术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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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(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)；所述带有PXI总线的上位机(1)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。...
【技术特征摘要】
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(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)；所述带有PXI总线的上位机(1)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(1)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，单个换能器辐射面为8mm×16mm...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾坤，罗亚军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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