[发明专利]一种利用超声辅助触夹持的超材料光固化打印设备

权利要求书

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PXI总线的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。

3.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：所述基于立体光固化成型的3D打印子系统(3)包括储液槽(301)、紫外光源(302)、升降工作台(303)、基于PXI总线的运动控制模块(304)；

所述储液槽(301)上部开口，用于放置液态可光聚合材料，同时换能器阵列(205)通过换能器支架(206)置于储液槽(301)内；

所述紫外光源(302)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；

所述升降工作台(303)位于储液槽内(301)，包括步进电机(305)、步进电机(305)控制的升降导轨(306)和底座(307)，用于保证当前加工平面始终位于紫外光源(302)焦距上；

所述基于PXI总线的运动控制模块(304)通过PXI总线与带有PXI总线的上位机(1)连接，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(305)，实现升降工作台(303)的上下运动。

4.根据权利要求1所述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。