立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法，屬于微細(xì)加工、微波【技術(shù)領(lǐng)域】。解決了現(xiàn)有制作超材料的方法中精度差、耗時(shí)長的技術(shù)問題。本發(fā)明的方法是利用三維建模軟件分別建立超材料中金屬材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型和樹脂材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，再將三維CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式文件，輸入雙材料立體打印機(jī)，采用不同材料同時(shí)打印超材料的金屬材料結(jié)構(gòu)和樹脂材料結(jié)構(gòu)，得到三維周期結(jié)構(gòu)超材料。本發(fā)明的方法可以制作任意三維周期單元任意面型的超材料，制作精度高、速度快、工藝簡單。
【專利說明】立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法，屬于微細(xì)加工、微波【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。超材料的內(nèi)部具有亞波長尺寸的微結(jié)構(gòu)，通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能，如負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率和負(fù)折射率等。
[0003]超材料為三維交叉結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部又存在不同介質(zhì)或金屬的嵌入等情況，在制作中存在難以組合、嵌入、曲面化的技術(shù)問題。現(xiàn)有技術(shù)中，超材料的制作主要采用分層加工后，用樹脂粘合劑等材料將超材料單元組合，整個(gè)過程中存在很多手工操作環(huán)節(jié)，難以保證制作精度，而且耗時(shí)長，不適于批量生產(chǎn)。
[0004]立體打印技術(shù)是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、激光、材料以及精密伺服等多項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和綜合。立體打印技術(shù)屬于離散堆積成形，即將計(jì)算機(jī)上的三維零件模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理并存儲(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息生成加工路徑，成型頭在控制系統(tǒng)的控制下，按加工路徑成形各個(gè)截面，并逐步順序疊加成三維零件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中超材料的制備精度差、耗時(shí)長的技術(shù)問題，提供一種立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法。
[0006]本發(fā)明的立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法，包括以下步驟:
[0007]步驟一、利用三維建模軟件分別建立超材料中金屬材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型和樹脂材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型；
[0008]步驟二、將上述金屬材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型和樹脂材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型離散化，即轉(zhuǎn)換成STL格式文件；
[0009]步驟三、將金屬材料結(jié)構(gòu)的STL文件和樹脂材料結(jié)構(gòu)的STL文件輸入到雙材料立體打印機(jī)，金屬材料結(jié)構(gòu)采用金屬粉末為原料，樹脂材料結(jié)構(gòu)采用樹脂材料為原料，同時(shí)打印金屬材料結(jié)構(gòu)和樹脂材料結(jié)構(gòu)，得到三維周期結(jié)構(gòu)超材料。
[0010]進(jìn)一步的，所述金屬材料結(jié)構(gòu)的金屬諧振單元小于工作波長的1%。。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012](I)本發(fā)明采用立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料，可以制作任意三維周期單元任意面型(平面，曲面，不可展開曲面)的超材料，避免了現(xiàn)有超材料制作中工藝出現(xiàn)的難以組合、嵌入、曲面化等難題；
[0013](2)本發(fā)明采用立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料充分利用立體打印技術(shù)的高精度與高度柔性，將數(shù)字化貫穿整個(gè)三維周期結(jié)構(gòu)超材料的成型過程，大大提高制作精度、速度并簡化工藝流程；
[0014](3)本發(fā)明采用立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料可以在打印制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料承載基底的同時(shí)，打印制作超材料的金屬諧振單元，做到二者的精密融合，提高超材料的精度，提升性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法的工作原理圖；
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施方式制作的超材料的三維周期結(jié)構(gòu)超材料周期單元，a為順時(shí)針開口諧振環(huán)單元，b為十字形金屬條單元。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0018]立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法，主要包括以下步驟:
[0019]步驟一、三維周期結(jié)構(gòu)超材料仿真設(shè)計(jì)
[0020]在制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料前，會(huì)根據(jù)需要制作的超材料的性能，比如具有吸波特性的超材料，可以改變電磁波輻射方向的超材料等，在專業(yè)電磁仿真軟件內(nèi)建立三維周期結(jié)構(gòu)超材料的模型，三維周期結(jié)構(gòu)超材料仿真設(shè)計(jì)完成后，得到欲制作的超材料模型；
[0021]本發(fā)明的制作技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)平面、曲面和不可展開曲面等各種平面的三維超材料的快速加工成型，三維超材料的陣子單元也可以為任何結(jié)構(gòu)，如環(huán)形諧振單元，H形諧振單元等；本實(shí)施方式采用順時(shí)針開口諧振環(huán)組合與十字形金屬條為周期單元的三維結(jié)構(gòu)超材料，順時(shí)針開口諧振環(huán)組合單元和十字形金屬條單元的結(jié)構(gòu)分別如圖2中a和b所示；
[0022]步驟二、CAD建模
[0023]仿真設(shè)計(jì)的超材料通常由承載基底和金屬周期單元組成，承載基底采用樹脂材料制作，金屬周期單元采用金屬制作；在三維建模軟件里將超材料結(jié)構(gòu)中采用樹脂材料的結(jié)構(gòu)和采用金屬周期單元的結(jié)構(gòu)分離開，分別建立超材料中采用金屬材料的結(jié)構(gòu)的三維CAD模型和采用樹脂材料的結(jié)構(gòu)的三維CAD模型；
[0024]步驟三、CAD模型數(shù)字化
[0025]將上述兩個(gè)三維CAD模型進(jìn)行STL格式化處理，轉(zhuǎn)化成STL文件，實(shí)現(xiàn)CAD模型的分層切片處理，獲得模型的每個(gè)二維層片信息；
[0026]STL是為三維制造系統(tǒng)開發(fā)出的文件格式，它的描述方式就是將制件的三維模型的自由曲面用一系列的小三角形平面來逼近，根據(jù)曲面近似的程度不同，選擇不同的三角形網(wǎng)格劃分，每個(gè)三角形面片由四個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)表示，即三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)(X，1，Z)和一個(gè)三角形面片外法線矢量(η)，顯然，精度要求越高，網(wǎng)格劃分的三角形應(yīng)該越多、越逼近實(shí)物，計(jì)算機(jī)處理的時(shí)間越長；
[0027]步驟四、立體打印快速成型
[0028]根據(jù)要制作的三維周期超材料結(jié)構(gòu)及組成特性，選擇雙材料立體打印機(jī)及成型材料，再將STL文件輸入立體打印機(jī)，將數(shù)字模型打印出來，本實(shí)施方式采用金屬粉末和液體光敏樹脂為原料，金屬粉末用于打印超材料中的金屬結(jié)構(gòu)，液體光敏樹脂用于打印超材料中的樹脂結(jié)構(gòu)，打印完成后，得到三維周期結(jié)構(gòu)超材料。
[0029]立體打印基于分層制造原理，根據(jù)切片處理得到的二維層片信息，控制成型機(jī)逐層加工并疊加這些層片，最后獲得三維實(shí)體原型。圖1為以立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的成型原理。立體打印機(jī)以液態(tài)光敏樹脂及金屬粉末為原料，主液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，金屬粉末裝在探頭中，在計(jì)算機(jī)控制下的特定波長的激光或紫外光沿分層截面逐點(diǎn)掃描，聚焦光斑掃描處的液態(tài)樹脂吸收能量，發(fā)生光聚合反應(yīng)而固化，從而形成制件的一層超材料截面的樹脂結(jié)構(gòu)，一層固化完畢后，計(jì)算機(jī)控制裝有金屬粉末的探頭制作超材料的金屬結(jié)構(gòu)，即金屬諧振單元的橫截面用金屬粉末填充固化，實(shí)現(xiàn)制件的一層超材料截面的制作；然后工作臺(tái)下降一層高度，以使先固化好的樹脂表面覆蓋一新的樹脂薄層，然后刮板將粘度較大的樹脂液面刮平，進(jìn)行下一層的掃描固化，新固化的一層牢固的粘結(jié)在前一層上。如此依次逐層堆積，最后形成三維周期結(jié)構(gòu)超材料。
[0030]本實(shí)施方式中，金屬諧振單兀小于工作波長的1%。，金屬粉末為銅合金、鋼、鎳、鈦合金等的粉末，樹脂材料為液態(tài)光敏樹脂、PP塑料等可用于立體打印的粉末、液體材料。
【權(quán)利要求】
1.立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、利用三維建模軟件分別建立超材料中金屬材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型和樹脂材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型； 步驟二、將上述金屬材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型和樹脂材料結(jié)構(gòu)的三維CAD模型離散化，即轉(zhuǎn)換成STL格式文件； 步驟三、將金屬材料結(jié)構(gòu)的STL文件和樹脂材料結(jié)構(gòu)的STL文件輸入到雙材料立體打印機(jī)，金屬材料結(jié)構(gòu)采用金屬粉末為原料，樹脂材料結(jié)構(gòu)采用樹脂材料為原料，同時(shí)打印金屬材料結(jié)構(gòu)和樹脂材料結(jié)構(gòu)，得到三維周期結(jié)構(gòu)超材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立體打印技術(shù)制作三維周期結(jié)構(gòu)超材料的方法，其特征在于，所述金屬材料結(jié)構(gòu)的金屬諧振單元小于工作波長的1%。。
【文檔編號(hào)】B29C67/00GK103692654SQ201410012222
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】高勁松, 湯洋, 梁鳳超, 王巖松, 馮曉國, 方春易, 陳新 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所