[发明专利]一种应用于3D打印透镜的激光单点固化建模方法

说明书

本发明涉及一种应用于3D打印透镜的激光单点固化建模方法，包括以下步骤：获取热固型材料的物理属性和脉冲激光的参数范围；建立激光热源功率在热固型材料中的空间分布模型；根据脉冲激光的参数建立脉冲激光的时域归一化模型；根据固化反应动力学模型建立固化反应的热能转移模型；将空间分布模型与时域归一化模型相结合得到激光热源功率在热固型材料中的时‑空分布模型；根据热能转移模型和时‑空分布模型建立瞬态热传导偏微分方程；利用多物理场集成仿真软件对瞬态热传导偏微分方程进行求解。本发明采用光‑热‑化学耦合多物理模型来模拟固化过程，能够准确预测单点固化聚合物的尺寸与形状，为优化单点固化聚合物的尺寸和形状提供理论依据。

技术领域

本发明涉及光学制造技术领域，尤其涉及一种应用于3D打印透镜的激光单点固化建模方法。

背景技术

光学制造业涵盖了一系列不同用途的光学产品，从窗口玻璃，到照明光学；从眼镜镜片，到相机镜头，无所不包。在通常的概念里，光学仪器制造、光学玻璃制造、光学加工等已经是相当“传统”的成熟行业。但目前一个高质量的光学元件，价格仍达十几万元甚至几十万元，加工周期动辄数月，导致造价高、周期长，对更加广泛的普及与应用造成了障碍。3D打印技术走进光学应用。

目前应用于光学透镜制造领域的3D打印技术主要基于紫外光固化或双光子固化原理。虽然依靠该原理打印出的透镜具有较高的表面分辨率，但无法克服加工后透镜发黄现象，严重影响在成像光学领域的应用。基于热固化原理的3D打印技术可以很好的避免透镜黄化问题，其固化原理是通过超快脉冲激光会聚于热固型材料，在极小尺度(微米与亚微米)与极短时间内将激光能量转换为热量，通过激光热效加速“热-化学”敏感材料中分子交联固化反应，使材料在极短时间内固化成型，并实现透镜3D打印制造。

对于3D打印透镜的一个十分重要的评价指标是表面粗糙度，它与激光单点固化尺寸分辨率大小密切相关，因此需要进行激光单点固化建模来分析激光固化的作用机理并预测固化聚合物的形状和尺寸，进而为提高3D打印光学元件表面粗糙度提供理论依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光单点固化建模方法，通过建立光-热-化学耦合多物理模型来模拟固化过程，进而能够预测单点固化聚合物的尺寸与形状，为提高3D打印光学元件表面粗糙度提供理论依据。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于3D打印透镜的激光单点固化建模方法，包括以下步骤：

步骤一：获取用于完成3D打印透镜的热固型材料的物理属性和脉冲激光的参数范围；

步骤二：根据所述脉冲激光的高斯光束模型，建立激光热源功率在热固型材料中的空间分布模型；

步骤三：建立所述脉冲激光的时域归一化模型；

步骤四：根据阿伦尼乌斯方程建立固化反应动力学模型，并根据所述固化反应动力学模型建立固化反应的热能转移模型；

步骤五：将所述空间分布模型与所述时域归一化模型相结合得到激光热源功率在热固型材料中的时-空分布模型；

步骤六：根据所述热能转移模型和所述时-空分布模型通过导热学理论建立瞬态热传导偏微分方程；

步骤七：利用多物理场集成仿真软件对所述瞬态热传导偏微分方程进行求解，得到热固型材料中温度场的时间与空间分布数值解以及材料固化几何边界的空间-时间分布数值解。

本发明提供的一种应用于3D打印透镜的激光单点固化建模方法具有以下有益效果：

1、本发明采用光-热-化学耦合多物理模型来模拟固化过程，能够准确预测单点固化聚合物的尺寸与形状；