[发明专利]立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，属于微细加工、微波技术领域。

背景技术

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。超材料的内部具有亚波长尺寸的微结构，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，如负介电常数、负磁导率和负折射率等。

超材料为三维交叉结构，结构内部又存在不同介质或金属的嵌入等情况，在制作中存在难以组合、嵌入、曲面化的技术问题。现有技术中，超材料的制作主要采用分层加工后，用树脂粘合剂等材料将超材料单元组合，整个过程中存在很多手工操作环节，难以保证制作精度，而且耗时长，不适于批量生产。

立体打印技术是计算机辅助设计与制造、计算机数字控制、激光、材料以及精密伺服等多项技术的发展和综合。立体打印技术属于离散堆积成形，即将计算机上的三维零件模型进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息生成加工路径，成型头在控制系统的控制下，按加工路径成形各个截面，并逐步顺序叠加成三维零件。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中超材料的制备精度差、耗时长的技术问题，提供一种立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法。

本发明的立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、利用三维建模软件分别建立超材料中金属材料结构的三维CAD模型和树脂材料结构的三维CAD模型；

步骤二、将上述金属材料结构的三维CAD模型和树脂材料结构的三维CAD模型离散化，即转换成STL格式文件；

步骤三、将金属材料结构的STL文件和树脂材料结构的STL文件输入到双材料立体打印机，金属材料结构采用金属粉末为原料，树脂材料结构采用树脂材料为原料，同时打印金属材料结构和树脂材料结构，得到三维周期结构超材料。

进一步的，所述金属材料结构的金属谐振单元小于工作波长的1‰。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用立体打印技术制作三维周期结构超材料，可以制作任意三维周期单元任意面型（平面，曲面，不可展开曲面）的超材料，避免了现有超材料制作中工艺出现的难以组合、嵌入、曲面化等难题；

(2)本发明采用立体打印技术制作三维周期结构超材料充分利用立体打印技术的高精度与高度柔性，将数字化贯穿整个三维周期结构超材料的成型过程，大大提高制作精度、速度并简化工艺流程；

(3)本发明采用立体打印技术制作三维周期结构超材料可以在打印制作三维周期结构超材料承载基底的同时，打印制作超材料的金属谐振单元，做到二者的精密融合，提高超材料的精度，提升性能。

附图说明

图1为本发明立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法的工作原理图；

图2为本发明实施方式制作的超材料的三维周期结构超材料周期单元，a为顺时针开口谐振环单元，b为十字形金属条单元。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

立体打印技术制作三维周期结构超材料的方法，主要包括以下步骤：

步骤一、三维周期结构超材料仿真设计

在制作三维周期结构超材料前，会根据需要制作的超材料的性能，比如具有吸波特性的超材料，可以改变电磁波辐射方向的超材料等，在专业电磁仿真软件内建立三维周期结构超材料的模型，三维周期结构超材料仿真设计完成后，得到欲制作的超材料模型；

本发明的制作技术，能够实现平面、曲面和不可展开曲面等各种平面的三维超材料的快速加工成型，三维超材料的阵子单元也可以为任何结构，如环形谐振单元，H形谐振单元等；本实施方式采用顺时针开口谐振环组合与十字形金属条为周期单元的三维结构超材料，顺时针开口谐振环组合单元和十字形金属条单元的结构分别如图2中a和b所示；

步骤二、CAD建模

仿真设计的超材料通常由承载基底和金属周期单元组成，承载基底采用树脂材料制作，金属周期单元采用金属制作；在三维建模软件里将超材料结构中采用树脂材料的结构和采用金属周期单元的结构分离开，分别建立超材料中采用金属材料的结构的三维CAD模型和采用树脂材料的结构的三维CAD模型；

步骤三、CAD模型数字化

将上述两个三维CAD模型进行STL格式化处理，转化成STL文件，实现CAD模型的分层切片处理，获得模型的每个二维层片信息；