脉冲激光驱动金属微滴打印系统及调节方法

1.本发明涉及激光微纳增材制造技术领域，具体地，涉及一种脉冲激光驱动金属微滴打印系统及调节方法。


背景技术：

2.随着微纳技术的不断发展，微纳米级别尺度的结构需求逐渐增多，为应对市场需求，微纳加工技术的研究成为当前该领域的重要研究方向之一。激光驱动微滴打印工艺是一种无喷嘴、具有高材料适应性与高空间分辨率的微纳增材制造方法。该工艺基于激光诱导前向转移(laser induced forward transfer)技术原理，通过脉冲激光辐照供体镜片上的金属膜，诱导金属液滴喷射，控制微滴飞行沉积落点位置，逐个微滴连续堆积，实现三维微结构打印。微滴飞行距离与沉积位置的精准调节对三维微结构的打印质量至关重要。
3.现有公开号为cn113382550a的中国专利文献，其公开了一种基于激光诱导的电路缺陷修复系统及方法，涉及材料沉积技术领域。所述系统包括控制器以及与控制器连接的视觉模组、激光模组、治具和位移平台；视觉模组用于对待修复工件进行检测，提取待修复工件的缺口信息，并将缺口信息发送给控制器；其中，缺口信息包括缺口三维模型；治具包括底座和若干凹槽，凹槽用于放置镀有不同厚度金属薄膜的基片；控制器还用于根据缺口信息控制治具旋转并控制位移平台移动，使得与缺口信息匹配的基片切换至激光模组的正下方；控制器还用于控制激光模组利用与缺口信息匹配的基片，对待修复工件进行转移沉积修复。
4.现有公开号为cn113547736a的中国专利文献，其公开了一种多材料激光诱导转移3d打印方法及装置，包括以下步骤：激光器产生激光束，将激光束调整为水平偏振状态，后对激光束进行扩束准直；经准直的激光束经反射进入空间光调制器调制得到目标光光束形状；对调整好的激光束进行收拢聚焦，使得激光束发散角度变小，并对收拢的激光束进行再次准直得到平行激光束；平行激光束中特定波长的激光经物镜再次聚焦用于加工，同时，ccd视觉系统实时监测加工过程。
5.现有技术中的打印系统，难以实现对转印距离进行精准控制，难以实现打印精度和效率兼顾，且系统整体刚度不足，存在待改进之处。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种脉冲激光驱动金属微滴打印系统及调节方法。
7.根据本发明提供的一种脉冲激光驱动金属微滴打印系统，包括激光光路模块：用于产生脉冲激光；供体模块：包括金属薄膜，所述脉冲激光聚焦辐照至金属薄膜表面产生金属液滴；接收模块：包括接收基底，所述接收基底位于金属薄膜的下方；运动模块：分别驱动所述激光光路模块、所述供体模块以及所述接收模块，用于调节所述脉冲激光的焦点位置，用于调节所述供体模块和所述接收模块之间的距离；视觉定位模块：设置在所述运动模块
的两侧和接收模块的下方，用于标定激光焦点位置以及测量所述供体模块和所述接收模块之间的距离。
8.优选地，所述激光光路模块包括依次设置的脉冲激光器、扩束镜、光束整形器、二维扫描振镜以及场镜；所述场镜设置在二维扫描振镜的下方，且所述场镜位于供体模块上方，所述脉冲激光器发射的脉冲激光依次通过扩束镜、光束整形器、二维扫描振镜以及场镜聚焦辐照至供体模块。
9.优选地，所述供体模块还包括供体镜片和第一四维调整镜架，所述金属薄膜设置在供体镜片的下方，所述第一四维调整镜架连接供体镜片和运动模块。
10.优选地，所述第一四维调整镜架包括翻转调节轴、支座、俯仰调节轴以及锁紧压板，所述锁紧压板固定装夹供体镜片；所述翻转调节轴连接锁紧压板和支座，所述俯仰调节轴连接锁紧压板和支座，所述翻转调节轴和俯仰调节轴二者分别位于支座呈相对的两角。
11.优选地，所述接收模块还包括第二四维调整镜架，所述第二四维调整镜架连接接收基底和运动模块。
12.优选地，所述运动模块包括：升降平台：作为激光光路模块的安装基础，驱动所述激光光路模块升降运动；两轴运动平台：作为供体模块的安装基础，驱动所述供体模块水平二维移动；三轴运动平台：作为接收模块的安装基础，驱动所述接收模块空间三维移动。
13.优选地，所述视觉定位模块包括旁轴ccd、左侧ccd以及右侧ccd；所述旁轴ccd设置在接收基底的下方，且所述旁轴ccd能够升降运动；所述左侧ccd设置在运动模块的左侧，且所述左侧ccd能够前后水平运动；所述右侧ccd设置在运动模块的右侧，且所述右侧ccd能够前后水平运动。
14.优选地，所述金属薄膜和接收基底平行。
15.根据本发明提供的一种脉冲激光驱动金属微滴打印系统的调节方法，调节方法包括供体镜片水平度与脉冲激光焦点位置调节方法，包括如下步骤：s1、先在所述供体镜片表面镀金属薄膜，然后将供体镜片安装到第一四维调整架上；s2、通过所述两轴运动平台移动，同时通过所述脉冲激光辐照金属薄膜，根据所述旁轴ccd观测激光辐照后的供体镜片上不同位置金属薄膜烧蚀直径的变化，再通过调节所述俯仰调节轴和翻转调节轴，使得所述供体表面金属薄膜不同位置处的脉冲激光烧蚀直径相同，将所述供体镜片调平；s3、调节所述升降平台，同时利用所述脉冲激光辐照供体表面金属薄膜，当所述金属薄膜表面的烧蚀直径最小时，即获得所述脉冲激光焦点位置。
16.优选地，调节方法还包括供体镜片与接收基底二者的平行度和间距调节方法，包括如下步骤：步骤s4、通过所述运动模块分别将接收基底与供体镜片移动至左侧ccd和右侧ccd视野中；步骤s5、分别前后移动所述左侧ccd和所述右侧ccd，测量所述供体镜片与接收基底侧面不同位置处的距离；步骤s6、所述供体镜片保持不动，调节所述第二四维调整镜架上的俯仰调节轴和翻转调节轴，使得在不同位置处的所述左侧ccd和所述右侧ccd测得的供体镜片与接收基底间距相等，完成所述接收基底与供体镜片的平行度调节。步骤s7、通过所述运动模块中的三轴运动平台升降，调整所述供体镜片与接收基底的间距大小。
17.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
18.1、本发明通过视觉定位模块调节好脉冲激光的焦点位置、供体模块与接收模块的水平度和间距，再通过激光光路模块将脉冲激光聚焦辐照到供体模块的金属薄膜表面，产
生金属液滴；然后利用运动模块控制金属液滴连续沉积到接收模块的接收基底上，实现三维微结构打印，有助于提高对转印距离的控制精度，实现打印精度和效率兼顾，且系统整体刚度高。
19.2、本发明通过第一四维调整镜架快速安装或拆卸供体镜片，通过第二四维调整镜架快速安装或拆卸接收基底，有助于提高系统组装或拆卸的便捷性。
20.3、本发明通过运动模块升降平台与视觉定位模块旁轴ccd协同工作，可实现激光焦点位置调节；利用第一四维调整镜架、第二四维调整镜架、左侧ccd以及右侧ccd四者协同工作，可实现供体镜片与接收基底的平行度调节；利用运动模块三轴运动平台上下运动与视觉定位模块左侧ccd，可实现供体镜片与接收基底的距离调节。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
22.图1为本发明主要体现脉冲激光驱动金属微滴打印系统整体结构示意图；
23.图2为本发明主要体现第一四维调整镜架整体结构的示意图；
24.图3为本发明主要体现供体镜片水平度调节原理示意图；
25.图4为本发明主要体现供体镜片与接收基底的平行度和间距调节原理示意图。
26.图中所示：
27.脉冲激光器1
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旁轴ccd13
28.扩束镜2
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两轴运动平台14
29.光束整形器3
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第一四维调整镜架15
30.二维扫描振镜4
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左侧ccd16
31.场镜5
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右侧ccd17
32.脉冲激光6
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第二四维调整镜架18
33.供体镜片7
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光学平台底座19
34.金属薄膜8
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翻转调节轴20
35.金属液滴9
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支座21
36.接收基底10
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俯仰调节轴22
37.升降平台11
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锁紧压板23
38.三轴运动平台12
具体实施方式
39.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
40.实施例一
41.如图1所示，根据本发明提供的一种脉冲激光6驱动金属微滴打印系统，包括光学平台底座19、激光光路模块、供体模块、接收模块、运动模块以及视觉定位模块。光学平台底
座19为安装基础，激光光路模块用于产生脉冲激光6。供体模块包括金属薄膜8，脉冲激光6聚焦辐照至金属薄膜8表面产生金属液滴9。接收模块包括接收基底10，接收基底10位于金属薄膜8的下方并与金属薄膜8平行。运动模块分别驱动激光光路模块、供体模块以及接收模块，用于调节脉冲激光6的焦点位置，且用于调节供体模块和接收模块之间的距离。视觉定位模块设置在运动模块的两侧和接收模块的下方，用于标定脉冲激光6焦点位置以及测量供体模块和接收模块之间的距离。
42.其中，激光光路模块产脉冲激光6，脉冲激光6聚焦辐照到供体模块中的金属薄膜8表面，产生金属液滴9；再利用运动模块控制金属液滴9连续沉积到接收模块中的接收基底10上，实现金属三维微结构打印。
43.光学平台底座19呈水平设置，供体模块放置在光学平台底座19上。供体模块包括升降平台11、两轴运动平台14以及三轴运动平台12。升降平台11作为激光光路模块的安装基础，驱动激光光路模块升降运动。两轴运动平台14作为供体模块的安装基础，驱动供体模块水平二维移动。三轴运动平台12作为接收模块的安装基础，驱动接收模块空间三维移动。升降平台11为现有技术领域中能够实现升降运动的平台，两轴运动平台14为现有技术领域中能够实现在水平面内移动的二维运动平台，三轴运动平台12为现有技术领域中能够实现升降运动和在水平面内移动的三维运动平台。
44.激光光路模块安装在升降平台11的顶部，升降平台11能够带动激光光路模块进行升降运动。激光光路模块包括依次设置的脉冲激光器1、扩束镜2、光束整形器3、二维扫描振镜4以及场镜5。场镜5安装在二维扫描振镜4的下方，且场镜5位于供体模块上方。脉冲激光器1发射的高斯激光依次通过扩束镜2、光束整形器3、二维扫描振镜4以及场镜5形成脉冲激光6聚焦辐照至供体模块。
45.供体模块安装在两轴运动平台14的顶部，三轴运动平台12能够带动供体模块进行升降运动和在水平面内运动。供体模块还包括供体镜片7和第一四维调整镜架15，金属薄膜8镀在供体镜片7的下方，第一四维调整镜架15连接供体镜片7和运动模块的两运动平台14。
46.如图1和图2所示，第一四维调整镜架15包括翻转调节轴20、支座21、俯仰调节轴22以及锁紧压板23，锁紧压板23固定装夹供体镜片7。翻转调节轴20连接锁紧压板23和支座21，俯仰调节轴22连接锁紧压板23和支座21，且翻转调节轴20和俯仰调节轴22二者分别位于支座21呈相对的两角。锁紧压板23和支座21之间还连接有弹性阻尼件，从而使转动第一四维调整镜架15上的翻转调节轴20和俯仰调节轴22，能够实现供体镜片7平行度的调节，且抬起和压住锁紧压板23即可实现供体镜片7的快速更换与装夹。
47.接收模块安装在三轴运动平台12的顶部，接收模块还包括第二四维调整镜架18，第二四维调整镜架18连接接收基底10和运动模块。第二四维调整镜架18的结构与第一四维调整镜架15的结构相同，通过转动第二四维调整镜架18上的翻转调节轴20和俯仰调节轴22实现接收基底10平行度的调节，且抬起和压住锁紧压板23即可实现接收基底10的快速更换与装夹。
48.如图1所示，进一步地，视觉定位模块安装在光学平台底座19上，视觉定位模块包括旁轴ccd13、左侧ccd16以及右侧ccd17。旁轴ccd13设置在接收基底10下方的光学平台底座19上，且旁轴ccd13能够升降运动。左侧ccd16设置在运动模块的左侧的光学平台底座19上，且左侧ccd16能够前后水平运动。右侧ccd17设置在运动模块的右侧的光学平台底座19
上，且右侧ccd17能够前后水平运动。
49.运动模块位于光学平台底座19的中部，运动模块左侧和右侧的光学平台底座19的边缘均设置有平行轨道，左侧ccd16设置在运动模块的左侧的轨道上并与其滑移配合，右侧ccd17设置在运动模块的右侧的轨道上并与其滑移配合，从而实现左侧ccd16和右侧ccd17能够前后水平运动。
50.利用升降平台11与旁轴ccd13的协同工作，可实现脉冲激光6焦点位置的调节。利用第一四维调整镜架15、第二四维调整镜架18、左侧ccd16以及右侧ccd17的协同工作，可实现供体镜片7和接收基底10二者的平行度调节。利用三轴运动平台12与左侧ccd16的协同工作，可实现供体镜片7与接收基底10的距离调节。
51.实施例二
52.如图3所示，基于实施例一，根据本发明提供的一种脉冲激光驱动金属微滴打印系统的调节方法，采用上述的脉冲激光驱动金属微滴打印系统，调节方法包括供体镜片7水平度与脉冲激光6焦点位置调节方法，包括如下步骤：
53.s1、先在供体镜片7表面镀金属薄膜8，然后将供体镜片7安装到第一四维调整镜架15上。
54.s2、通过两轴运动平台14移动，同时通过脉冲激光6辐照金属薄膜8，根据旁轴ccd13观测激光辐照后的供体镜片7上不同位置金属薄膜8烧蚀直径的变化，再通过调节俯仰调节轴22和翻转调节轴20，使得供体镜片7表面金属薄膜8不同位置处的脉冲激光6烧蚀直径相同，将供体镜片7调平。
55.也就是，如图3所示，步骤s2是首先利用两轴运动平台14沿供体镜片7长边方向运动，并利用脉冲激光6辐照金属薄膜8，根据旁轴ccd13观测激光辐照后的供体镜片7该方向上不同位置金属薄膜8烧灼直径变化，调节翻转调节轴20，使供体表面金属薄膜8不同位置处的脉冲激光6烧蚀直径相同，实现该方向的供体镜片7的调平。短边方向同理，利用俯仰调节轴22调节使得该方向供体表面金属薄膜8不同位置处脉冲激光6烧蚀直径相同，完成调平。
56.s3、调节升降平台11，同时利用脉冲激光6辐照供体镜片7表面金属薄膜8，当金属薄膜8表面的烧蚀直径最小时，即获得脉冲激光6焦点位置。
57.利用左侧ccd16、右侧ccd17、第一四维调整镜架15以及第二四维调整镜架18四者配合，克服了金属微结构打印过程中供体模块与接收模块的平行度与间距控制困难的问题，进一步提高了打印质量。
58.如图4所示，调节方法还包括供体镜片7与接收基底10二者的平行度和间距调节方法，包括如下步骤：
59.步骤s4、通过运动模块分别将接收基底10与供体镜片7移动至左侧ccd16和右侧ccd17视野中。
60.步骤s5、分别前后移动左侧ccd16和右侧ccd17，测量供体镜片7与接收基底10侧面不同位置处的距离。
61.步骤s6、供体镜片7保持不动，调节第二四维调整镜架18上的俯仰调节轴22和翻转调节轴20，使得在不同位置处的左侧ccd16和右侧ccd17测得的供体镜片7与接收基底10间距相等，完成接收基底10与供体镜片7的平行度调节。
62.步骤s7、通过运动模块中的三轴运动平台12升降，调整供体镜片7与接收基底10的间距大小。
63.工作原理
64.脉冲激光器1产生的高斯激光经过扩束镜2，光束整形器3后，变成能量分布均匀的平顶脉冲激光6，在二维扫描振镜4与场镜5作用下形成脉冲激光6；通过视觉定位模块调节好脉冲激光6的焦点位置、供体模块与接收模块的水平度和间距，再通过激光光路模块将脉冲激光6聚焦辐照到供体模块的金属薄膜8表面，产生金属液滴9；然后利用运动模块控制金属液滴9连续沉积到接收模块的接收基底10上，实现三维微结构打印。
65.在利用该系统进行金属三维微结构之前，需要对供体镜片7进行调平并确定激光焦点位置，从而使得脉冲激光6辐照供体模块上的金属薄膜8可以形成稳定适合的金属液滴9用于金属三维微结构的打印。
66.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
67.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。