双光子聚合3D打印机及打印方法技术

一种双光子聚合3D打印机及打印方法，该打印机包括飞秒激光脉冲系统、亚微米级精度运动平台、CCD监控系统和控制电脑，飞秒激光脉冲系统具有用于产生600‑1000nm双光子激光的飞秒激光器，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜，光路开关和衰减片；CCD监控系统通过分色镜与飞秒激光脉冲系统的光路连接；控制电脑分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接。该打印方法包括：通过CCD监控系统调节合适的打印起始位置；将要打印的模型切片生成控制代码；控制电脑控制运动平台和光路开关实现双光子聚合打印；如此逐层打印；之后，溶解掉未交联的光敏树脂。本发明专利技术可实现微纳米打印精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于3D打印
，具体涉及一种双光子聚合3D打印机及打印方法。
技术介绍
3D打印是新兴加工制造技术，相对于传统的减材制造模式，以增材制造为基础的3D打印技术具有革命性的意义。但是，现在大多数的3D打印机均无法打印亚微米结构，对于常见的SLA和FDM技术，其打印工件尺寸均在毫米以上范围内。对于小于1mm的结构，常规的3D打印技术无法满足加工要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双光子聚合3D打印机及打印方法，以满足微纳尺度打印。本专利技术的技术方案如下：一种双光子聚合3D打印机，其包括：飞秒激光脉冲系统，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上的光路开关和衰减片；亚微米级精度运动平台，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统的控制下移动光敏树脂；CCD监控系统，通过分色镜与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及控制电脑，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接。在上述的双光子聚合3D打印机中，优选地，飞秒激光脉冲系统的光路上还具有反射镜和扩束镜，从飞秒激光器到物镜，所述光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜、分色镜顺次设置。在一些方案中，所述运动平台为三维运动平台，光敏树脂设置于该三维运动平台上的敞口容器内，所述物镜设置于三维运动平台上方。在另一些方案中，所述运动平台为Z轴运动平台，所述物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描。一种双光子聚合3D打印机的打印方法，该打印方法采用的打印机包括：飞秒激光脉冲系统，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上的光路开关和衰减片；亚微米级精度运动平台，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统的控制下移动光敏树脂；CCD监控系统，通过分色镜与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及控制电脑，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接；该打印方法包括：通过CCD监控系统调节合适的打印起始位置；将要打印的模型切片生成控制代码；控制电脑执行所述控制代码，一方面控制运动平台或者运动平台和所述物镜按照预定的轨迹运动，另一方面控制光路开关，以在合适的位置曝光使相应位置的光敏树脂发生聚合而固化，从而实现双光子聚合打印；如此逐层打印；在打印完毕之后，溶解掉未交联的光敏树脂。在上述的双光子聚合3D打印机的打印方法中，优选地，飞秒激光脉冲系统的光路上还具有反射镜和扩束镜，从飞秒激光器到物镜，所述光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜(转镜)、分色镜顺次设置；打印中，飞秒激光器产生双光子激光，经过光路开关、衰减片、扩束镜、反射镜和物镜将激光聚焦，来使光敏树脂交联。在上述的双光子聚合3D打印机的打印方法中，优选地，所述运动平台为Z轴运动平台，物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描；打印中，控制电脑执行所述控制代码，通过二维激光振镜驱动物镜在X/Y平面进行扫描，在当前层打印完后，通过Z轴运动平台带动光敏树脂向下运动，定位到另一层。相对于普通的SLA3D打印光聚合采用紫外波长的激光(250-400nm)，光子能量高，光经过的地方均发生聚合，本专利技术双光子聚合采用近红外波长(600-1000nm)的激光，近红外波长光子能量低，线性吸收及瑞利散射小，在介质中穿透性高，引发剂或光敏剂在光子强度高的焦点处才会产生双光子聚合，进而引发液态树脂发生聚合而固化。因此，双光子聚合3D打印机具有空间性。由于采用了飞秒激光系统来进行光敏树脂的固化交联，其分辨率可以通过调节激光的能量、曝光量，三维运动平台的扫描速率来改变，精度可以达到＜100nm，即能够满足微纳尺度打印。附图说明图1为本专利技术的一些实施例双光子聚合3D打印机的组成示意图；图2为普通SLA单光子聚合和双光子聚合的原理区别示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。参照图1，一些实施例中，双光子聚合3D打印机包括：飞秒激光脉冲系统100，控制电脑200，CCD监控系统300，3D精密滑台(亚微米级精度运动平台)600，3D精密滑台的运动控制系统500。飞秒激光脉冲系统100具有：飞秒激光器110，光路开关120，衰减片130，扩束镜140，转镜(反射镜)150，物镜170。飞秒激光器110用于产生600-1000nm双光子激光。该激光经过光路开关120、衰减片130、扩束镜140、转镜150和物镜170将激光聚焦到一个点，来使光固化树脂交联。光路开关120、衰减片130用于调节曝光时间和光强。CCD监控系统300通过分色镜400与飞秒激光脉冲系统100的光路连接。CCD监控系统300通过分色镜400和双光子激光聚焦到一个点，来对打印过程进行实时监控，从而保证打印中模型固定在树脂槽底部而不会发生位移。3D精密滑台600用于承载光敏树脂以及在运动控制系统500的控制下移动光敏树脂。具体地，在3D精密滑台600上安装有树脂槽610(敞口容器)，光敏树脂装于树脂槽610中。3D精密滑台600可以采用空气直线轴承或压电滑台，运动精度均可以达到亚微米。飞秒激光器110、光路开关120、CCD监控系统300和运动控制系统500均和控制电脑200连接。采用上述双光子聚合3D打印机的打印方法如下：通过CCD监控系统300调节合适的打印起始位置，保证模型在固化过程中不会移位；3D打印控制软件通过切片软件将要打印的模型进行逐层切片，生成控制代码(包括G代码运动轨迹和曝光位置)，控制电脑200执行控制代码，一方面通过运动控制系统500控制3D精密滑台600按照预定的轨迹运动，同时，控制电脑200执行控制代码，控制飞秒激光脉冲系统100中的光路开关120，在合适的位置曝光使相应位置的光敏树脂发生聚合而固化，从而实现双光子聚合打印；待一层聚合固化完毕之后，3D精密滑台600带动树脂槽610向下移动一定位置，进行下一层的打印；在打印完毕之后，溶解掉未交联的光敏树脂。模型切片软件可以采用cura，skeinforge和ferry等，在切片的过程中，可以通过调节层高，光斑直径，来对应于打印的精度，得到合适的打印路径。光敏树脂作为双光子聚合材料，可以采用正刻胶和负刻胶。常见的正刻胶品牌有SCR500、NOA72和EPO-TEK301，负刻胶有SU-8和SCR本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双光子聚合3D打印机，其特征在于包括：飞秒激光脉冲系统(100)，具有：用于产生600‑1000nm双光子激光的飞秒激光器(110)，用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜(170)，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上的光路开关(120)和衰减片(130)；亚微米级精度运动平台(600)，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统(500)的控制下移动光敏树脂；CCD监控系统(300)，通过分色镜(400)与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及控制电脑(200)，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连接。

【技术特征摘要】
1.一种双光子聚合3D打印机，其特征在于包括：
飞秒激光脉冲系统(100)，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器(110)，
用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜(170)，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上
的光路开关(120)和衰减片(130)；
亚微米级精度运动平台(600)，用于承载光敏树脂以及在运动控制系统(500)的控制下
移动光敏树脂；
CCD监控系统(300)，通过分色镜(400)与飞秒激光脉冲系统的光路连接；以及
控制电脑(200)，分别与所述飞秒激光器、光路开关、运动控制系统和CCD监控系统连
接。
2.根据权利要求1所述的双光子聚合3D打印机，其特征在于，飞秒激光脉冲系统(100)
的光路上还具有反射镜(150)和扩束镜(140)，从飞秒激光器到物镜，所述光路开关、衰减
片、扩束镜、反射镜、分色镜顺次设置。
3.根据权利要求1所述的双光子聚合3D打印机，其特征在于，所述运动平台为三维
运动平台，光敏树脂设置于该三维运动平台上的敞口容器内，所述物镜设置于三维运动平
台上方。
4.根据权利要求1所述的双光子聚合3D打印机，其特征在于，所述运动平台为Z轴
运动平台，所述物镜由二维激光振镜驱动能够在X/Y平面进行扫描。
5.一种双光子聚合3D打印机的打印方法，其特征在于：
所述双光子聚合3D打印机包括：
飞秒激光脉冲系统(100)，具有：用于产生600-1000nm双光子激光的飞秒激光器(110)，
用于将所述双光子激光汇聚后输出的物镜(170)，在所述飞秒激光器到所述物镜的光路上
的光路开关(120)和衰减片(130)...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勃，朱朋飞，许国军，王进，周济，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44