一种多材料激光诱导转移3d打印方法及装置
阅读说明：本技术 一种多材料激光诱导转移3d打印方法及装置 (Multi-material laser-induced transfer 3D printing method and device ) 是由 谢小柱 黄亚军 龙江游 任庆磊 胡伟 何梓裕 于 2021-06-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及3D打印的技术领域,更具体地,涉及一种多材料激光诱导转移3D打印方法及装置,包括以下步骤：激光器产生激光束,将激光束调整为水平偏振状态,后对激光束进行扩束准直；经准直的激光束经反射进入空间光调制器调制得到目标光光束形状；对调整好的激光束进行收拢聚焦,使得激光束发散角度变小,并对收拢的激光束进行再次准直得到平行激光束；平行激光束中特定波长的激光经物镜再次聚焦用于加工,同时,CCD视觉系统实时监测加工过程。本发明的多材料激光诱导转移3D打印方法及装置,通过空间光调制器对激光光束整形并结合激光诱导转移技术,实现对任意形状、多材料的3D微结构的制备,扩大了激光诱导向前转移技术的适用范围。(The invention relates to the technical field of 3D printing, in particular to a multi-material laser induced transfer 3D printing method and device, which comprises the following steps: the laser generates a laser beam, adjusts the laser beam to be in a horizontal polarization state, and then performs beam expanding collimation on the laser beam; the collimated laser beam is reflected to enter a spatial light modulator to be modulated to obtain a target light beam shape; the adjusted laser beams are folded and focused, so that the divergence angle of the laser beams is reduced, and the folded laser beams are collimated again to obtain parallel laser beams; the laser with specific wavelength in the parallel laser beams is focused again through the objective lens for processing, and meanwhile, the CCD vision system monitors the processing process in real time. According to the multi-material laser induced transfer 3D printing method and device, the laser beam is shaped through the spatial light modulator and the laser induced transfer technology is combined, the preparation of the multi-material 3D microstructure with any shape is achieved, and the application range of the laser induced forward transfer technology is expanded.)
技术领域
本发明涉及3D打印的技术领域，更具体地，涉及一种多材料激光诱导转移3D打印方法及装置。
背景技术
目前，在精密印刷领域主要采用的是光刻印刷、丝网印刷和喷墨打印技术。光刻印刷虽然精度高，适用于大批量生产，但是需要高精度的掩模版，小批量生产时成本高，且不能根据市场需求做出灵活调整；丝网印刷同样需要掩膜版，尺寸相对较大；喷墨打印可以通过移动喷嘴控制墨滴的准确位置来快速实现大面积复杂图案的直写加工，操作简单，成本低廉，但是由于喷嘴直径的限制，无法实现高精度的打印，也无法实现高粘度材料和固体材料的直写加工。
激光诱导向前转移技术(LIFT)是近年来发展起来的一种激光打印技术，具有适应性强、加工精度高、成本低廉、绿色环保、适用范围广等诸多优点。激光诱导向前转移相比光刻印刷和丝网印刷，无需制备掩模版，同时可以节约材料降低污染；相比喷墨打印，可以扩大可选用的材料范围，并能实现微米量级的加工精度，同时不会由于喷嘴的堵塞而影响实际的使用。现有的激光诱导向前转移技术已经实现了如金、银、铜等不同材料的加工，制备出线宽在5μm左右的直线，但是目前研究主要集中在如何保证单一材料打印连续图案时的均匀性，没有考虑到多材料的打印，从而限制了激光诱导向前转移技术的推广应用。
中国专利CN110666169A公开了一种多材料激光诱导向前转移3D打印装置及方法，3D打印装置包括计算机控制系统、激光器、扩束器、光阑、CCD相机、二向色镜、聚焦透镜、Z轴竖直移动平台、底座，W轴竖直移动平台、C轴旋转平台、UV轴中空水平移动平台、材料基片、接收基片、空气吸盘和XY轴水平移动平台多个材料基片可以同时安装在UV轴中空水平移动平台上，随着XY轴水平移动平台和UV轴中空水平移动平台的运动可以实现多材料的二维打印，随后改变激光参数进行固化烧结，一层打印完成后重复之前的打印和固化操作。上述方案虽可实现多材料的3D打印，但是无法适用于多种不同形状的3D微结构的制备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种多材料激光诱导转移3D打印方法及装置，可以实现任意形状、多种材料的3D打印，扩大了激光诱导向前转移技术的适用范围。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种多材料激光诱导转移3D打印方法，包括以下步骤：
S10.激光器产生激光束，将激光束调整为水平偏振状态，后对激光束进行扩束准直；
S20.经准直的激光束经反射进入空间光调制器调制得到目标光光束形状；
S30.对调整好的激光束进行收拢聚焦，使得激光束发散角度变小，并对收拢的激光束进行再次准直得到平行激光束；
S40.平行激光束中特定波长的激光经物镜再次聚焦用于加工，同时，CCD视觉系统实时观察激光聚焦光斑、并实时监测加工过程；
步骤S40中，按以下步骤进行加工：
S41.获取待加工材料种类及材料厚度，并根据材料种类和材料厚度设置激光参数；
S42.控制所需材料和所需厚度的靶材层结构旋转至激光聚焦光斑下方；
S43.激光聚焦光斑透过透明约束层结构聚焦于靶材层结构，与目标光光束形状一致的靶材转移并沉积在接收基底上制备3D结构。
本发明的多材料激光诱导转移3D打印方法，激光器产生激光束，所述激光束经调整为水平偏振状态，后激光束进行扩束准直；经准直的激光束经进入空间光调制器调制得到目标光光束形状，目标光光束经光路调节模块经聚焦、准直、再聚焦后用于加工；加工前将所需材料和所需厚度的靶材层结构旋转至激光聚焦光斑下方，CCD视觉系统用于观察加工用激光聚焦光斑，实时监测加工过程。本发明的多材料激光转移3D打印装置，可实现对任意形状、多材料的3D微结构的制备，扩大了激光诱导向前转移技术的适用范围。
优选地，步骤S20中：基于目标图形设计几何掩膜，并将几何掩膜加载到空间光调制器；当经准直的光束入射到空间光调制器时，衍射零级光被滤除得到与目标图像一致的目标光光束。
优选地，步骤S40中，加工时，物镜与靶材层之间的间距调整至与物镜的焦距相等。
优选地，步骤S42中，靶材层结构为通过磁控溅射或电子束蒸发镀方法制备于透明约束层结构的固体靶材膜，或为通过刮涂或者旋涂的方法制备于透明约束层结构的液体靶材膜。
优选地，若干透明约束层结构均匀环绕于旋转轴安装，旋转轴转动将所需材料和所需厚度的靶材层转动至激光聚焦光斑下方。
优选地，步骤S42中，所述透明约束层结构为石英玻璃，所述接收基底为柔性基底或固态基底，所述柔性基底选自聚酰亚胺、PDMS中的一种，所述固态基底选自玻璃、玻纤板、陶瓷中的一种。
本发明还提供了一种多材料激光转移3D打印装置，包括CCD视觉系统、转移模块以及顺序设置的激光器、衰减器、1/2波片、扩束镜、第一反射镜、空间光调制器、光路调节模块：所述激光器产生激光束，所述激光束经衰减器、1/2波片将激光束调整为水平偏振状态，后激光束入射至扩束镜中进行扩束准直；经准直的激光束经第一反射镜反射后进入空间光调制器调制得到目标光光束形状，目标光光束经光路调节模块经聚焦、准直、再聚焦后用于加工；所述CCD视觉系统用于观察加工用激光聚焦光斑，实时监测加工过程；
所述转移模块包括三维移动平台、透明约束层结构、靶材层结构、接收基底及二维移动平台，所述旋转轴装于三维移动平台，透明约束层结构卡装于旋转轴，靶材层结构贴设于透明约束层结构下方，所述接收基底位于靶材层结构下方，所述接收基底安装于二维移动平台，透明约束层结构、靶材层结构、接收基底数量相等且一一对应，靶材层结构可为材料不同、厚度不同的多组，所述二维移动平台、三维移动平台均连接于计算机控制系统。
本发明的多材料激光转移3D打印装置，激光器产生激光束，所述激光束经衰减器、1/2波片将激光束调整为水平偏振状态，后激光束入射至扩束镜中进行扩束准直；经准直的激光束经第一反射镜反射后进入空间光调制器调制得到目标光光束形状，目标光光束经光路调节模块经聚焦、准直、再聚焦后用于加工；CCD视觉系统用于观察加工用激光聚焦光斑，实时监测加工过程；旋转轴旋转需加工材料至物镜下方。本发明的多材料激光转移3D打印装置，可实现对任意形状、多材料的3D微结构的制备，扩大了激光诱导向前转移技术的适用范围。
进一步地，所述光路调节模块包括顺序设置的第二反射镜、第一透镜、第二透镜、第三反射镜、第二极化分光棱镜及物镜，目标光光束经第二反射镜反射至第一透镜，第一透镜对激光束进行收拢聚焦后，收拢的激光束进入第二透镜，对收拢的激光束再次准直，准直后的激光束经第三反射镜反射入射到第二极化分光棱镜，第二极化分光棱镜将特定波长的激光束反射至物镜中，经物镜再次聚焦后用于加工。
进一步地，所述CCD视觉系统包括第一极化分光棱镜、照明光源及连接于计算机控制系统的CCD相机，所述照明光源发射特定波长的照明激光投射至第二极化分光棱镜到达工件表面，从工件表面反射的反射光线经物镜和第二极化分光棱镜到达并经第一极化分光棱镜(11)反射至CCD相机。
进一步地，所述空间光调制器的入射光与反射光夹角小于15°。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的多材料激光转移3D打印方法及装置，通过空间光调制器对激光光束整形并结合激光诱导转移技术，实现对任意形状、多材料的3D微结构的制备，扩大了激光诱导向前转移技术的适用范围。
附图说明
图1为多材料激光诱导转移3D打印方法的示意图；
图2为多材料激光诱导转移3D打印装置的结构示意图；
图3为透明约束层结构与旋转轴的安装示意图；
附图中：1、CCD视觉系统；11、第一极化分光棱镜；12、照明光源；13、CCD相机；2、转移模块；21、三维移动平台；22、透明约束层结构；23、靶材层结构；24、接收基底；25、二维移动平台；26、旋转轴；3、激光器；4、衰减器；5、1/2波片；6、扩束镜；7、第一反射镜；8、空间光调制器；9、光路调节模块；91、第二反射镜；92、第一透镜；93、第二透镜；94、第三反射镜；95、第二极化分光棱镜；96、物镜；10、计算机控制系统。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1所示为本发明的多材料激光诱导转移3D打印方法的实施例，包括以下步骤：
S10.激光器3产生激光束，将激光束调整为水平偏振状态，后对激光束进行扩束准直；
S20.经准直的激光束经反射进入空间光调制器8调制得到目标光光束形状；
S30.对调整好的激光束进行收拢聚焦，使得激光束发散角度变小，并对收拢的激光束进行再次准直得到平行激光束；
S40.平行激光束中特定波长的激光经物镜96再次聚焦用于加工，同时，CCD视觉系统1实时观察激光聚焦光斑、并实时监测加工过程；
步骤S40中，按以下步骤进行加工：
S41.获取待加工材料种类及材料厚度，并根据材料种类和材料厚度设置激光参数；
S42.控制所需材料和所需厚度的靶材层结构23旋转至激光聚焦光斑下方；
S43.激光聚焦光斑透过透明约束层结构22聚焦于靶材层结构23，与目标光光束形状一致的靶材转移并沉积在接收基底24上制备3D结构。
本实施例实施时，激光器3产生激光束，激光束经调整为水平偏振状态，后激光束进行扩束准直；经准直的激光束经进入空间光调制器8调制得到目标光光束形状，目标光光束经光路调节模块9经聚焦、准直、再聚焦后用于加工；加工前将所需材料和所需厚度的靶材层结构23旋转至激光聚焦光斑下方，便可实现多材料、及任意形状的3D结构的加工。
步骤S20中：基于目标图形设计几何掩膜，并将几何掩膜加载到空间光调制器8；当经准直的光束入射到空间光调制器8时，衍射零级光被滤除得到与目标图像一致的目标光光束。
步骤S40中，加工时，物镜96与靶材层之间的间距调整至与物镜96的焦距相等。
步骤S42中，靶材层结构23为通过磁控溅射或电子束蒸发镀方法制备于透明约束层结构22的固体靶材膜，或为通过刮涂或者旋涂的方法制备于透明约束层结构22的液体靶材膜。固体靶材膜、及液体靶材膜的成型工艺并不作为本发明的限制性规定，其他能够实现固体成膜、液体成膜的方法均可适用于本发明。其中，若干透明约束层结构22均匀环绕于旋转轴26安装，旋转轴26转动将所需材料和所需厚度的靶材层转动至激光聚焦光斑下方。
步骤S42中，透明约束层结构22为石英玻璃，接收基底24为柔性基底或固态基底，柔性基底选自聚酰亚胺、PDMS中的一种，固态基底选自玻璃、玻纤板、陶瓷中的一种。当然，其他相同性质的材质也可用于本发明的透明约束层结构和接收基底24。
实施例二
如图2至图3所示为本发明的多材料激光诱导转移3D打印装置的实施例，包括CCD视觉系统1、转移模块2以及顺序设置的激光器3、衰减器4、1/2波片5、扩束镜6、第一反射镜7、空间光调制器8、光路调节模块9：激光器3产生激光束，激光束经衰减器4、1/2波片5将激光束调整为水平偏振状态，后激光束入射至扩束镜6中进行扩束准直；经准直的激光束经第一反射镜7反射后进入空间光调制器8调制得到目标光光束形状，目标光光束经光路调节模块9经聚焦、准直、再聚焦后用于加工；CCD视觉系统1用于观察加工用激光聚焦光斑，实时监测加工过程；空间光调制器8的入射光与反射光夹角小于15°。
转移模块2包括三维移动平台21、透明约束层结构22、靶材层结构23、接收基底24及二维移动平台25，旋转轴26装于三维移动平台21，透明约束层结构22卡装于旋转轴26，靶材层结构23贴设于透明约束层结构22下方，接收基底24位于靶材层结构23下方，接收基底24安装于二维移动平台25，透明约束层结构22、靶材层结构23、接收基底24数量相等且一一对应，靶材层结构23可为材料不同、厚度不同的多组，二维移动平台25、三维移动平台21均连接于计算机控制系统10。
本实施例实施时，激光器3产生激光束，激光束经衰减器4、1/2波片5将激光束调整为水平偏振状态，后激光束入射至扩束镜6中进行扩束准直；经准直的激光束经第一反射镜7反射后进入空间光调制器8调制得到目标光光束形状，目标光光束经光路调节模块9经聚焦、准直、再聚焦后用于加工；CCD视觉系统1用于观察加工用激光聚焦光斑，实时监测加工过程；转移时，控制旋转轴26旋转将所需材料和所需厚度的靶材层结构23旋转至激光聚焦光斑下方，控制三维移动平台21上下移动使得激光束聚焦于靶材层结构23，激光聚焦光斑透过透明约束层结构22聚焦于靶材层结构23，与目标光光束形状一致的靶材转移并沉积在接收基底24上制备3D结构。
其中，光路调节模块9包括顺序设置的第二反射镜91、第一透镜92、第二透镜93、第三反射镜94、第二极化分光棱镜95及物镜96，目标光光束经第二反射镜91反射至第一透镜92，第一透镜92对激光束进行收拢聚焦后，收拢的激光束进入第二透镜93，对收拢的激光束再次准直，准直后的激光束经第三反射镜94反射入射到第二极化分光棱镜95，第二极化分光棱镜95将特定波长的激光束反射至物镜96中，经物镜96再次聚焦后用于加工。
所述CCD视觉系统1包括第一极化分光棱镜11、照明光源12及连接于计算机控制系统10的CCD相机13，所述照明光源12发射特定波长的照明激光投射至第二极化分光棱镜95到达工件表面，从工件表面反射的反射光线经物镜96和第二极化分光棱镜95到达并经第一极化分光棱镜11反射至CCD相机13。
本实施例中，CCD相机13、激光器3、空间光调制器8、三维移动平台21、二维移动平台25均连接于计算机控制系统10，如此，计算机控制系统10：可用于控制激光器3的参数、控制空间光调制器8的目标光束形状、接收CCD相机13传输的图像信号、控制二维移动平台25和三维移动平台21的动作。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。