基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统，包括：光束子系统、支撑介质、分块薄膜阵列、微滴阵列和接收基底，通过光束子系统将脉冲激光辐照到支撑介质表面上的分块薄膜阵列上，脉冲激光驱动熔化或者未熔化的分块薄膜阵列飞离支撑介质的表面，形成飞行的微滴阵列沉积到接收基底；通过连续辐照分块薄膜阵列，同时控制微滴阵列沉积到接收基底的落点位置并行打印出三维微结构。本发明专利技术能够避免激光驱动微滴打印结构过程中的破碎液滴，能够有效扩宽打印工艺窗口的范围，并且能有效提升打印效率。打印效率。打印效率。

【技术实现步骤摘要】
nanojets from copper by dual laser irradiation for ultra
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high resolution printing.Optics Express,25(20):24164,2017)提出了先用长脉冲激光将连续的金属薄膜加热熔化，再用短脉冲激光将熔融金属推出形成射流的双脉冲激光转印方法(Double pulse
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LIFT)，增加了工艺过程的稳定性，获得较宽的工艺窗口。但无法消除射流与金属薄膜脱离过程中产生的卫星滴。
[0006]此外，现有激光驱动转印工艺方法中，通过聚焦单个低能量脉冲激光辐照连续金属膜形成单个液滴，效率低，难以实现大面积三维微结构的高效打印。Nakata等人(Y.Nakata,E.Hayashi,K.Tsubakimoto,et al.Nanodot array deposition via single shot laser interference pattern using laser
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induced forward transfer.International Journal of Extreme Manufacturing,2,025101,2020)提出了采用光束分束衍射(DOE)方法，将单个脉冲激光分束衍射辐照连续的金属膜一次产生多个液滴，提升了工艺效率。但仍无法解决打印过程中破碎卫星滴多的难题。
[0007]经过检索，专利文献CN207823958U公开了一种基于连续脉冲激光的3D打印装置，包括：成型工作台，设置在成型工作室内；铺粉装置，用于在所述成型工作台铺设粉末；光纤激光器，包括依次设置的连续激光种子源和脉冲激光种子源、光纤耦合器及光纤放大器，所述连续激光种子源和脉冲激光种子源输出的光束经过光纤耦合器及光纤放大器后输出连续激光或脉冲激光；激光控制模块，与所述光纤激光器连接，用于控制所述光纤激光器输出连续激光或脉冲激光；扫描振镜，用于将所述连续激光或脉冲激光通过扫描振镜聚焦在铺设粉末的成型工作台，其中：所述连续激光用于对所述铺设粉末的成型工作台扫描成型，所述脉冲激光用于对打印成形件边缘进行精密加工。但是该现有技术的不足之处在于仍不能实现分辨率和效率的兼顾，并且即便对打印成形件边缘进行了精密加工，但是仍不能解决在微滴打印结构过程中的破碎液滴。
[0008]因此，亟需研发一种能够实现无破碎、大面积、高可控微滴生成的三维微结构高效高分辨率打印方法，并且能够解决面向产业推广应用所要面临的难题。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统及方法，能够避免激光驱动微滴打印结构过程中的破碎液滴，能够有效扩宽打印工艺窗口的范围，并且能有效提升打印效率。
[0010]根据本专利技术提供的一种基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统，包括：光束子系统、支撑介质、分块薄膜阵列、微滴阵列和接收基底，
[0011]通过光束子系统将脉冲激光辐照到支撑介质表面上的分块薄膜阵列上，脉冲激光驱动熔化或者未熔化的分块薄膜阵列飞离支撑介质的表面，形成飞行的微滴阵列沉积到接收基底；
[0012]通过连续辐照分块薄膜阵列，同时控制微滴阵列沉积到接收基底的落点位置并行打印出三维微结构。
[0013]优选地，光束子系统能够产生脉冲激光，同时一次辐照多个不透明分块薄膜阵列。
[0014]优选地，光束子系统包括脉冲激光器、扩束器和平顶光束整形器，脉冲激光器产生的高斯激光经过扩束器和平顶光束整形器后变成平顶脉冲激光。
[0015]优选地，光束子系统还包括扫描振镜和不聚焦场镜，平顶脉冲激光在扫描振镜和不聚焦场镜的作用下垂直辐照到任意位置的分块薄膜阵列上。
[0016]优选地，还包括三维运动平台和同轴CCD观测系统，通过同轴CCD观测系统与三维运动平台控制接收基底的运动，调控微滴阵列沉积落点的位置。
[0017]根据本专利技术提供的一种基于脉冲激光驱动的微滴三维打印方法，采用上述的基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统进行三维微结构的打印。
[0018]优选地，包括如下步骤：
[0019]步骤S1：利用聚焦激光扫描切割制备分块薄膜阵列；
[0020]步骤S2：通过脉冲激光驱动分块薄膜阵列飞离支撑介质的表面，形成飞行的微滴阵列沉积到接收基底；
[0021]步骤S3：通过移动接收基底确定先后沉积的微滴阵列落点位置关系；
[0022]步骤S4：重复步骤S3，连续转印分块薄膜阵列，并行打印出三维微结构。
[0023]优选地，步骤S1包括：
[0024]步骤S11：将薄膜设置在支撑介质上，同时将不聚焦场镜切换为聚焦场镜；
[0025]步骤S12：脉冲激光通过聚焦场镜得到聚焦激光，将聚焦激光聚焦到支撑介质表面上的薄膜上；
[0026]步骤S13：通过光束子系统中的扫描振镜控制聚焦激光扫描切割薄膜，在支撑介质表面得到规则排布的分块薄膜阵列；
[0027]步骤S14：切割完成后将聚焦场镜切换为不聚焦场镜。
[0028]优选地，步骤S3包括：
[0029]步骤S31：首先，采用同轴CCD观测系统将分块薄膜阵列与接收基底的相对位置进行标定；
[0030]步骤S32：通过三维运动平台的平面运动控制接收基底运动至分块薄膜阵列正下方，确定首个脉冲激光转印产生的微滴阵列的沉积落点位置；
[0031]步骤S33：将首个脉冲激光转印沉积的微滴阵列移动至下一个脉冲激光要辐照的分块薄膜阵列的正下方，根据打印三维微结构的几何特征微调分块薄膜阵列与沉积的微滴阵列的平面位置偏移量，调控先后两个脉冲激光转印微滴阵列沉积的落点位置。
[0032]优选地，当脉冲激光转印分块薄膜阵列时，需先透过支撑介质，分块薄膜阵列位于支撑介质的下表面；
[0033]当脉冲激光切割支撑介质表面的薄膜制备分块薄膜阵列时，不需先透过支撑介质，薄膜位于支撑介质的上表面。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0035]1、本专利技术通过设置在激光驱动分块薄膜阵列转印过程中，各分块薄膜相互独立，能够避免连续膜转印工艺中微滴脱离时断裂产生的破碎微星滴。
[0036]2、本专利技术中单个脉冲光斑辐照分块薄膜阵列一次产生出大面积微滴阵列，实现微结构阵列的并行打印，显著提高打印效率。
[0037]3、本专利技术通过控制分块薄膜的体积，进而控制单个微滴的尺寸，实现微结构的高分辨率打印。
[0038]4、本专利技术将激光驱动微滴三维打印分解为切割和转印两个步骤，工艺过程更稳定
可控，可同时兼顾打印质量、效率与分辨率。
附图说明
[0039]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0040]图1为本专利技术中脉冲激光驱动分块薄膜形成微滴阵列并行打印三维微结构的示意图；
[0041]图2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统，其特征在于，包括：光束子系统、支撑介质(7)、分块薄膜阵列(8)、微滴阵列(9)和接收基底(10)；通过光束子系统将脉冲激光(6)辐照到所述支撑介质(7)表面上的所述分块薄膜阵列(8)上，所述平顶脉冲激光(6)驱动熔化或者未熔化的分块薄膜阵列(8)飞离所述支撑介质(7)的表面，形成飞行的微滴阵列(9)沉积到所述接收基底(10)；通过连续辐照所述分块薄膜阵列(8)，同时控制所述微滴阵列(9)沉积到所述接收基底(10)的落点位置并行打印出三维微结构。2.根据权利要求1所述的基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统，其特征在于，所述光束子系统能够产生脉冲激光，同时一次辐照多个不透明分块薄膜阵列(8)。3.根据权利要求1所述的基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统，其特征在于，所述光束子系统包括脉冲激光器(1)、扩束器(2)和平顶光束整形器(3)，所述脉冲激光器(1)产生的高斯激光经过所述扩束器(2)和所述平顶光束整形器(3)后变成脉冲激光(6)。4.根据权利要求1所述的基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统，其特征在于，所述光束子系统还包括扫描振镜(4)和不聚焦场镜(5)，所述平顶脉冲激光(6)在扫描振镜(4)和不聚焦场镜(5)的作用下垂直辐照到任意位置的分块薄膜阵列(8)上。5.根据权利要求1所述的基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统，其特征在于，还包括三维运动平台(11)和同轴CCD观测系统，通过所述同轴CCD观测系统与所述三维运动平台(11)控制所述接收基底(10)的运动，调控所述微滴阵列(9)沉积落点的位置。6.一种基于脉冲激光驱动的微滴三维打印方法，其特征在于，采用权利要求1
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5中任一项所述的基于脉冲激光驱动的微滴三维打印系统进行微滴三维打印。7.根据权利要求6所述的基于脉冲激光驱动的微滴三维打印方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：利用聚焦激光扫描切割制备分块薄膜阵列(8)；步骤S2：通过脉冲激光(6)驱动分块薄膜阵列(8)...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡永祥，罗国虎，吴迪，周榆，姚振强，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：