一種大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置,屬于微納制造【技術領域】。包括支座、大理石、振鏡箱體、x軸溜板與氣浮直線導軌一滑動連接,直線電機一與氣浮直線導軌一連接,C軸轉臺疊放在x軸溜板上,底座與C軸轉臺固定連接,z軸溜板與氣浮直線導軌二滑動連接,直線電機與氣浮直線導軌二連接,氣浮直線導軌二連接在底板上,z軸溜板上通過內六角圓柱頭螺釘安裝有氣缸連接座,氣缸的缸體通過螺紋安裝在氣缸安裝座上,振鏡箱體通過4個內六角圓柱頭螺釘安裝在z軸溜板上,二維振鏡安裝在振鏡支座上。優點是結構新穎,避免了運動軸回退、可快速精密跟蹤有擾動的路徑,實現大面積三維微納結構的快速加工。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于微納制造【技術領域】,特別是涉及一種大行程柱坐標雙光子聚合加 工裝置。 一種大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置
【背景技術】
[0002] 雙光子聚合(Two Photon Polymerization,以下簡稱TPP)被認為是非常有發展 前途的一種獲得"真正"三維微納結構器件的加工方法,在許多重要的工業領域中有著極為 誘人的應用前景。例如,利用TPP方法可以制作三維超材料器件、微納結構光學元件、三維 仿生功能表面器件等。
[0003] 通過飛秒激光束聚焦所形成的聚焦體如何在試件材料內部按預先設計的路徑進 行掃描及曝光是TPP方法的關鍵之一。迄今為止,主要有如下一些基本的技術方案:(1)將 試件安裝在利用壓電驅動的二維或三維微位移臺上,以獲得飛秒激光束相對于試件的高精 密掃描(孫洪波等人,2004年;段宣明等人,2007年);(2)利用氣浮支撐、直線電機驅動的 高精密運動軸X、y和z,以獲得飛秒激光束相對于試件的大行程掃描(Andreas Ostendorf and Boris N. Chichkov,2006年)。(3)利用二維振鏡繞x或y軸擺動,以獲得飛秒激光束 相對于試件的快速掃描(JUrgen Stampf 1,2012年)。
[0004] 現有的這些技術方案主要存在如下有待解決的問題:(1)采用二維振鏡,所獲得 的行程非常有限,不適合制作大面積的三維微納結構器件;(2)壓電驅動的微動臺具有較 高的往復運動精度,但所獲得的行程和工作頻率皆十分受限;(3)無論是小行程的驅動臺 還是大行程的氣浮運動軸,皆是直角坐標系構形,使用兩個直線運動逼近一個曲線運動,不 可避免地存在插補誤差;(4)采用大行程的氣浮運動軸,雖可獲得大行程,但若要遍歷每個 切片上預期的體元位置,三個運動軸x、y或z皆不可避免地存在回退,這使得運動精度難以 保證;(5)無論是壓電微位移平臺掃描,直線電機驅動的高精密運動軸x、y、z掃描還是二維 振鏡掃描都難以保證在每個體元位置的掃描速度相等。體元是雙光子聚合中最小的單元。 影響體元大小的因素之一是曝光時間。當用高速掃描方法對曝光時間進行控制時,曝光時 間t可設為激光掃描通過一個聚焦點處光斑直徑20^所需要的時間。當掃描速度不同時, 曝光時間不同,所得到的體元大小會有差異,這將影響雙光子聚合的加工精度;(6)因為雙 光子聚合為逐點掃描加工,因此加工效率低。
【發明內容】
[0005] 本實用新型提供一種大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置,針對大面積三維微納結 構器件,以克服現有技術的不足。
[0006] 本實用新型采取的技術方案是,支座通過個內六角圓柱頭螺釘連接在大理石床身 上,支座上安裝有分光鏡,反射鏡三與振鏡箱體固連在一起,X軸溜板與氣浮直線導軌一滑 動連接,直線電機一與氣浮直線導軌一連接、并安裝在大理石床身上,C軸轉臺疊放在X軸 溜板上,底座與C軸轉臺固定連接,z軸溜板與氣浮直線導軌二滑動連接,直線電機與氣浮 直線導軌二連接,氣浮直線導軌二連接在底板上,底板通過6個內六角圓柱頭螺釘連接在 大理石床身上,z軸溜板上通過內六角圓柱頭螺釘安裝有氣缸連接座,氣缸的活塞桿通過螺 母安裝在氣缸連接座上,氣缸的缸體通過螺紋安裝在氣缸安裝座上,氣缸安裝座通過2個 內六角圓柱頭螺釘安裝在底板上,振鏡箱體通過4個內六角圓柱頭螺釘安裝在z軸溜板上, 二維振鏡安裝在振鏡支座上,該振鏡支座通過2個內六角圓柱頭螺釘安裝在振鏡箱體上, 顯微物鏡與振鏡箱體螺紋連接,反射鏡一、反射鏡二安裝在大理石床身上。
[0007] 本實用新型的一種實施方式是:直線電機一由動子一、定子一組成,定子通過內六 角圓柱頭螺釘安裝在溜板上,定子一通過內六角圓柱頭螺釘安裝在溜板上。
[0008] 本實用新型的一種實施方式是:C軸轉臺安裝有回轉光柵、讀數頭三,讀數頭三與 固定座固定連接,以氣浮軸作支撐,氣浮軸裝在氣浮軸承上,伺服電機由伺服電機定子、伺 服電機轉子構成,氣浮軸承通過內六角圓柱頭螺釘安裝在支撐架上,支撐架通過內六角圓 柱頭螺釘安裝在底座上,進氣閥與底座外部固定連接;
[0009] 本實用新型的一種實施方式是:直線電機二的動子二通過內六角圓柱頭螺釘安裝 在溜板上,定子二通過內六角圓柱頭螺釘安裝在氣浮直線導軌二上。
[0010] 本實用新型的優點在于:(1)高精密運動的X軸溜板、z軸溜板、C軸轉臺與二維振 鏡協同工作,不僅能滿足加工精度要求,而且能保證具有非常大的工作行程,可用于實現大 面積三維微納結構的加工;(2)高精密運動的X軸溜板、z軸溜板、C軸轉臺為柱坐標布局, 無論試件以共軸方試安裝還是以離軸方式安裝,都僅作向前的直線進給及回轉運動,避免 了運動軸回退所致的運動誤差,且與往復運動相比響應更快,提高了加工的效率;(3)高精 密運動的X軸溜板、z軸溜板、C軸轉臺為柱坐標布局,沒有插補誤差,協同二維振鏡繞X軸 溜板和y軸溜板的往復擺動,可以快速精密跟蹤曲線路徑;(4)將試件以離軸方式安裝時, 可實時改變掃描速度,保證在每個體元位置的掃描速度相等,進而保證曝光時間相等,最終 保證了雙光子聚合加工的精度;(5)將多個試件以離軸方式安裝時,轉臺轉一周飛秒激光 束可同時在這些試件上掃描,具有較高的生產率。
[0011] 本實用新型主要適用于大面積三維微納結構的快速加工。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1是本實用新型的前軸測圖;
[0013] 圖2是本實用新型的后軸測圖;
[0014] 圖3是本實用新型的X軸導軌剖視圖;
[0015] 圖4是本實用新型的z軸導軌剖視圖;
[0016] 圖5是本實用新型的轉臺剖視圖;
[0017] 圖1、2附圖標記為:支座1,內六角圓柱頭螺釘2,分光鏡3,激光束4,氣缸連接座 5,氣缸6,反射鏡7,內六角圓柱頭螺釘8,氣缸安裝座9,大理石床身10,底板11,內六角圓 柱頭螺釘12,氣浮直線導軌一 13,直線電機一 14, X軸溜板15, C軸轉臺16,底座17,試件 18,氣浮直線導軌二19,顯微物鏡20,振鏡箱體21,內六角圓柱頭螺釘22,二維振鏡23,振鏡 支座24,內六角圓柱頭螺釘25, z軸溜板26,直線電機二27,六角螺母28,反射鏡一 29,進 光孔一 30,反射鏡二31,進光孔二32 ;
[0018] 圖3附圖標記為:直線電機動子一 1401,直線電機定子二1402,內六角圓柱頭螺釘 33,直線光柵一 34,讀數頭一 35,內六角圓柱頭螺釘36 ;
[0019] 圖4附圖標記為:直線電機二動子2701,直線電機二定子2702,內六角圓柱頭螺釘 37,直線光柵二38,內六角圓柱頭螺釘39,擋板40,內六角圓柱頭螺釘41,內六角圓柱頭螺 釘42,讀數頭二43 ;
[0020] 圖5附圖標記為:內六角圓柱頭螺釘1601,氣浮軸1602,支撐架1603,氣浮軸承 1604,內六角圓柱頭螺釘1605,進氣閥1606,伺服電機定子1607,伺服電機轉子1608,旋轉 光柵1609,固定座1610,讀數頭三1611,底座1612。
【具體實施方式】
[0021] 支座1通過4個內六角圓柱頭螺釘2連接在大理石床身10上,支座1上安裝有分 光鏡3,反射鏡三7與振鏡箱體21固連在一起,X軸溜板15與氣浮直線導軌一 13滑動連接, 直線電機一 14與氣浮直線導軌一 13連接、并安裝在大理石床身10上,C軸轉臺16疊放在 X軸溜板上,底座17與C軸轉臺固定連接,z軸溜板26與氣浮直線導軌二19滑動連接,直 線電機27與氣浮直線導軌二19連接,氣浮直線導軌二19連接在底板11上,底板11通過 6個內六角圓柱頭螺釘連接在大理石床身10上,z軸溜板26上通過內六角圓柱頭螺釘37 安裝有氣缸連接座5,氣缸6的活塞桿通過螺母28安裝在氣缸連接座5上,氣缸6的缸體 通過螺紋安裝在氣缸安裝座9上,氣缸安裝座9通過2個內六角圓柱頭螺釘安裝在底板11 上,振鏡箱體21通過4個內六角圓柱頭螺釘22安裝在z軸溜板26上,二維振鏡23安裝在 振鏡支座24上,該振鏡支座通過2個內六角圓柱頭螺釘25安裝在振鏡箱體21上,顯微物 鏡20與振鏡箱體21螺紋連接,反射鏡一 29、反射鏡二31安裝在大理石床身上。
[0022] 本實用新型一種實施方式是:直線電機一由動子一 1401、定子一 1402組成,定子 通過內六角圓柱頭螺釘33安裝在溜板15上,定子一通過內六角圓柱頭螺釘36安裝在溜板 15上。
[0023] 本實用新型一種實施方式是:C軸轉臺16安裝有回轉光柵1609、讀數頭三1611, 讀數頭三1611與固定座1610固定連接,以氣浮軸1602作支撐,氣浮軸裝在氣浮軸承1604 上,伺服電機由伺服電機定子1607、伺服電機轉子1608構成,氣浮軸承1604通過內六角圓 柱頭螺釘1601安裝在支撐架1603上,支撐架通過內六角圓柱頭螺釘1605安裝在底座1612 上,進氣閥1606與底座外部固定連接;
[0024] 本實用新型一種實施方式是:直線電機二的動子二2701通過內六角圓柱頭螺釘 39安裝在溜板26上,定子二2702通過內六角圓柱頭螺釘42安裝在氣浮直線導軌二上。
[0025] 該裝置的工作過程為:底座17上放置試件18,激光束4通過進光孔一 30進入,經 反射鏡一 29、反射鏡二31作用進入進光孔二32,然后經分光鏡3作用分為兩束,其中的一 束又經反射鏡三7作用進入振鏡箱體21,經二維振鏡23反射進入顯微物鏡20,物鏡20將 激光束聚焦到試件18內部,通過高精密運動的X軸溜板、z軸溜板、C軸轉臺和二維振鏡23 的掃描,激光束焦點按規劃路徑運動,加工出所需的大面積三維微納結構。
【權利要求】
1. 一種大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置,其特征在于支座通過個內六角圓柱頭螺釘 連接在大理石床身上,支座上安裝有分光鏡,反射鏡三與振鏡箱體固連在一起,X軸溜板與 氣浮直線導軌一滑動連接,直線電機一與氣浮直線導軌一連接、并安裝在大理石床身上,C 軸轉臺疊放在X軸溜板上,底座與C軸轉臺固定連接,z軸溜板與氣浮直線導軌二滑動連接, 直線電機與氣浮直線導軌二連接,氣浮直線導軌二連接在底板上,底板通過6個內六角圓 柱頭螺釘連接在大理石床身上,z軸溜板上通過內六角圓柱頭螺釘安裝有氣缸連接座,氣缸 的活塞桿通過螺母安裝在氣缸連接座上,氣缸的缸體通過螺紋安裝在氣缸安裝座上,氣缸 安裝座通過2個內六角圓柱頭螺釘安裝在底板上,振鏡箱體通過4個內六角圓柱頭螺釘安 裝在z軸溜板上,二維振鏡安裝在振鏡支座上,該振鏡支座通過2個內六角圓柱頭螺釘安裝 在振鏡箱體上,顯微物鏡與振鏡箱體螺紋連接,反射鏡一、反射鏡二安裝在大理石床身上。
2. 根據權利要求1所述的大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置,其特征在于:直線電機 一由動子一、定子一組成,定子通過內六角圓柱頭螺釘安裝在溜板上,定子一通過內六角圓 柱頭螺釘安裝在溜板上。
3. 根據權利要求1所述的大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置,其特征在于:C軸轉臺安 裝有回轉光柵、讀數頭三,讀數頭三與固定座固定連接,以氣浮軸作支撐,氣浮軸裝在氣浮 軸承上,伺服電機由伺服電機定子、伺服電機轉子構成,氣浮軸承通過內六角圓柱頭螺釘安 裝在支撐架上,支撐架通過內六角圓柱頭螺釘安裝在底座上,進氣閥與底座外部固定連接。
4. 根據權利要求1所述的大行程柱坐標雙光子聚合加工裝置,其特征在于:直線電機 二的動子二通過內六角圓柱頭螺釘安裝在溜板上,定子二通過內六角圓柱頭螺釘安裝在氣 浮直線導軌二上。
【文檔編號】B23K26/082GK203900734SQ201420310390
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】周曉勤, 侯燚紅, 林潔瓊, 王文攀 申請人:吉林大學