一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种采用多光束激光干涉技术产生的微纳复合周期性结构干涉光源获得跨尺度3D打印的方法和系统。其属于对现有3D打印方法的改进，包括：图像采集数据处理模块(1)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系统(4)、三维打印平台(5)、打印材料(6)和CCD显微成像系统(7)。本发明专利技术提高了原有3D打印速度及分辨率，同时实现了被打印物体的微纳复合结构材料直接成型，为快速、大面积、高效的微纳复合结构的3D打印技术。

【技术实现步骤摘要】
一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统及方法
本专利技术涉及一种采用多光束激光干涉技术产生的微纳复合周期性结构干涉光源获得跨尺度3D打印的方法和系统。属于对现有3D打印方法的改进。
技术介绍
三维打印(ThreeDimensionPrinting，简称3DP)是一种快速成型技术，是指增材制造，首先计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据后，通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成三维实体物件的过程。3D打印具有成本低、工作过程无污染、成型速度快等优点。该技术对航空航天、汽车、医疗和消费电子产品等核心产业的革新有巨大推动作用。从世界范围来看，经过多年的发展，3D打印已经形成比较完善的技术体系，应用范围不断拓展，产业链初步形成，市场规模实现快速增长。近几年，随着3D打印的关键技术专利陆续到期，如下：专利名称：快速和精确制造光固化零部件(RapidandAccurateProductionofStereolithographicParts)美国专利号5610824，专利权人：3DSystems公司；专利名称：用于除去熔融沉积成型的支撑的工艺(ProcessofSupportRemovalforFusedDepositionModeling)美国专利号5503785，专利权人：Stratasys公司；专利名称：增材制造的装置和方法(AdditiveFabricationApparatusandMethod)美国专利号5529471，专利权人：南加州大学；专利名称：通过光固化制造三维物体的方法(MethodforProductionofThree-DimensionalObjectsbyStereolithography)美国专利号5762856，专利权人：3DSystems公司。3D打印的成本出现下降，促使低价3D打印机市场快速扩张，它的工业用途也将持续扩张。特别是在工业、生物医学和消费应用中将尤其突出。在医疗领域，3D打印充分适应了个人定制的特殊要求。2015年我国发布的《中国制造2025》围绕重点行业转型升级和新一代信息技术、智能制造、增材制造、新材料、生物医药等领域创新发展的重大共性需求开展关键性技术的研发。更进一步提出了对3D打印技术创新及产业化的需求。随着微米技术和纳米技术的成熟化、多样化和工业化，微纳复合技术和微纳复合材料应运而生。材料表面的微纳复合结构能使材料产生一些独特的性能，如超疏水、超光学吸收、超粘附等，在人们的日常生活、工农业生产和国防建设等方面都有着广阔的应用前景。因此简单、实用、高效制备微纳复合结构材料的方法，不论在科学研究领域还是在实际生产应用领域都有着非常重要的意义。传统激光3D打印技术应用单光束激光聚焦为光源，打印的速度和分辨率都受制于聚焦光斑的尺寸。本专利技术提出的多光束激光干涉纳米制造技术是利用两束或两束以上光束相干叠加，产生强度周期性调制的光强能量分布，当这种周期调制的光强能量分布与材料相互作用时，可在材料表面制造出二维或三维周期性纳米结构，即微纳复合结构图案。如专利201110145715.2《一种仿真飞蛾复眼光学减反射结构图案的方法和系统》，就是利用多光束激光干涉技术实现的。生成图案的特征尺寸、形状和周期从纳米到微米连续可调，并且可在曲面上完成，但此专利只在材料表面应用，无法实现微纳复合结构材料的3D打印。而本专利技术采用分层加工、叠加成型的方式逐层增加材料来生成微纳复合结构三维实体。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种利用多光束激光干涉技术产生的微纳复合周期性结构干涉光源获得跨尺度3D打印系统及方法，提高了原有3D打印速度及分辨率，同时实现了被打印物体的微纳复合结构材料直接成型，为快速、大面积、高效的微纳复合结构的3D打印技术。本专利技术技术解决方案：一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，包括：图像采集数据处理模块(1)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系统(4)、三维打印平台(5)、打印材料(6)和CCD显微成像系统(7)；打印材料(6)置于三维打印平台(5)上；首先图像采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；根据打印纳米图案尺寸要求，PC控制中心(2)模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光，并设定各路相干光束的入射角和空间角，各路相干光的偏振状态一致，通过参数设定使多束相干光组合，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉结构图案信息并反馈给PC控制中心(2)，PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，使CCD显微成像系统(7)检测干涉图案分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，参数设定完成；PC控制中心(2)精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，相干光按照被打印物体3D物理模型截面轮廓逐点扫描，与被打印材料(6)作用使作用处材料成型，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，设置打印平台(5)升起或下降一层薄片的距离后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。所述多束相干光束数量为2-6束，设定各路相干光束入射角为0°-90°，空间角0°－360°。所述多束相干光在干涉场内产生强弱调制的光强度分布，用调制后重新分布的光强分布作为3D打印光源，在CCD显微成像系统(7)或打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案。所述PC控制中心(2)设置分光系统(4)参数时，使得干涉光场强度分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，图案周期50-5000nm可调，线栅、点阵、多图形组合等微纳复合结构图案可选，图形占空比1：1-1：10可选。所述PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，由CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉图案信息并反馈给PC控制中心(2)，与模拟图案进行比对，调整分光系统参数，减小误差，实现CCD显微成像系统检测干涉图案与打印图案一致。所述周期性微纳复合结构的相干光与被打印材料(6)作用，经过物理或化学变化使作用处材料直接成型为微纳复合结构。所述PC控制中心(2)根据设置精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，扫描速度(1-10mm/s)，通过打印物体3D物理模型截面轮廓确定范围，逐点填充扫描，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，升起或下降一层薄片的距离(100nm-2um)后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。多光束激光干涉跨尺度3D打印方法，实现步骤如下：A.采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；B.PC控制中心(2)根据打印纳米图案尺寸要求模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光，使得干涉光场强度分布周期达到打印纳米图案尺寸要求；C.相干光在干涉场内产生强弱调制的光强度分布，用调制后重新分布的光强分布作为3D打印光源，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；D.CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：包括图像采集数据处理模块(1)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系统(4)、三维打印平台(5)、打印材料(6)和CCD显微成像系统(7)；打印材料(6)置于三维打印平台(5)上；首先图像采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；根据打印纳米图案尺寸要求，PC控制中心(2)模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光，并设定各路相干光束的入射角和空间角，各路相干光的偏振状态一致，通过参数设定使多束相干光组合，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；CCD显微成像系统(7)检测相干光形成的干涉结构图案信息并反馈给PC控制中心(2)，PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，使CCD显微成像系统(7)检测干涉图案分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，参数设定完成；PC控制中心(2)精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，相干光按照被打印物体3D物理模型截面轮廓逐点扫描，与被打印材料(6)作用使作用处材料成型，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，设置打印平台(5)升起或下降一层薄片的距离后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。...

【技术特征摘要】
1.一种多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：包括图像采集数据处理模块(1)、PC控制中心(2)、激光器(3)、分光系统(4)、三维打印平台(5)、打印材料(6)和CCD显微成像系统(7)；打印材料(6)置于三维打印平台(5)上；首先图像采集数据处理模块(1)将打印物体3D物理模型分层，并传送给PC控制中心(2)；根据打印纳米图案尺寸要求，PC控制中心(2)模拟3D纳米图案结构成型物理模型并设置分光系统(4)参数，使分光系统(4)将激光器(3)输出的单束激光分为多束相干光束，并设定各路相干光束的入射角和空间角，各路相干光束的偏振状态一致，通过参数设定使多束相干光束组合，在CCD显微成像系统(7)和打印材料(6)的表面上形成周期性微纳复合结构图案；CCD显微成像系统(7)检测相干光束形成的干涉结构图案信息并反馈给PC控制中心(2)，PC控制中心(2)对分光系统(4)的参数修正，使CCD显微成像系统(7)检测干涉图案分布周期达到打印纳米图案尺寸要求，参数设定完成；PC控制中心(2)精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，相干光束按照被打印物体3D物理模型截面轮廓逐点扫描，与打印材料(6)作用使作用处材料成型，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，设置三维打印平台(5)升起或下降一层薄片的距离后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型；所述PC控制中心(2)根据设置精确地控制三维打印平台(5)在二维平面的扫描速度及方式，扫描速度1-10mm/s，通过打印物体3D物理模型截面轮廓确定范围，逐点填充扫描，获得该截面轮廓的微纳复合结构薄片，升起或下降一层薄片的距离100nm-2um后继续分层扫描，叠加成型的方式逐层增加材料生成微纳复合结构三维模型。2.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述多束相干光束数量为2-6束。3.根据权利要求1所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述设定各路相干光束入射角为0°-90°，空间角0°－360°。4.根据权利要求1或2所述的多光束激光干涉跨尺度3D打印系统，其特征在于：所述多束相干光束在干涉场内产生强弱调制的光强度分布，用调制后重新分布的光强分布作为3D打印光源，在CCD显微成像系统(7)或打印材...

【专利技术属性】
技术研发人员：王作斌，王璐，翁占坤，韩永路，宋正勋，董莉彤，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22