基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合的陶瓷微结构3D打印方法

摘要

本发明公开了一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合的陶瓷微结构3D打印系统，包括多波长一体化光纤激光器、实时监测系统、滴涂装置、工作台、三维移动平台和控制中心，工作台置于三维移动平台上，多波长一体化光纤激光器、实时监测系统、喷涂装置、三维移动平台均与控制中心信号连接；其中：滴涂装置用来将陶瓷粉胶混合物滴涂至置于工作台上基板的打印区域；多波长一体化光纤激光器用来提供皮秒激光、纳秒激光和飞秒激光；实时监测系统用来实时监测当前陶瓷层的尺寸、表面形貌、晶相结构、化学成分中的一种或多种；三维移动平台用来使工作台进行三维移动。本发明具有低成本、高效率、高精度、可加工复杂微结构的优点，适用于大规模制造陶瓷微结构。

说明书

技术领域

本发明属于3D陶瓷微结构制备技术领域，具体涉及一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光 复合的陶瓷微结构3D打印方法。

背景技术

随着MEMS(微机电系统)技术的发展，需要在微小尺寸基体上形成芯片实验室(L ab-on-a-chip)和芯片工厂(Factory-on-a-chip)，及在微小尺寸基体上集成反应、分配和 运输等功能。为实现复杂的多功能结构，需要在微小尺寸基体上制作大量的、微小的槽 道和腔体结构。

由于加工简便性，芯片实验室和芯片工厂主要制作于硅、金属和聚合物基体材料上。 然而对于一些含高温反应和腐蚀液体的芯片实验室和芯片工厂，传统的硅、金属和聚合 物基体材料无法适用。陶瓷基体材料成为抗高温和防腐蚀的理想基体材料。

基于陶瓷基体材料的微结构(后文简称为“陶瓷微结构”)制作一般采用模具烧结法， 模具烧结法具有如下不足：(1)由于芯片实验室和芯片工厂的小批量、多变结构的特定， 采用模具烧结法制造成本往往较高；(2)加工精度有限；(3)难以满足芯片实验室和芯 片工厂的复杂微结构加工要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合的陶瓷 微结构3D打印方法，该方法具有低成本、高效率、高精度、可加工复杂微结构的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合的陶瓷微结构3D打印系统，包括：

多波长一体化光纤激光器、实时监测系统、滴涂装置、工作台、三维移动平台和控 制中心，工作台置于三维移动平台上，多波长一体化光纤激光器、实时监测系统、喷涂 装置、三维移动平台均与控制中心信号连接；其中：

滴涂装置用来将陶瓷粉胶混合物滴涂至置于工作台上基板的打印区域；

多波长一体化光纤激光器用来提供皮秒激光、纳秒激光和飞秒激光，皮秒激光和纳 秒激光用来烧结陶瓷粉胶混合物，飞秒激光用来对已烧结的陶瓷层进行微加工；

实时监测系统用来实时监测当前陶瓷层的尺寸、表面形貌、晶相结构、化学成分中 的一种或多种；

三维移动平台用来使工作台进行三维移动。

上述多波长一体化光纤激光器包括激光控制器、纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞 秒激光探头，纳秒激光探头、皮秒激光探头和飞秒激光探头均与激光控制器相连。

上述实时监测系统包括控制驱动系统和检测仪器，检测仪器与控制驱动系统相连， 检测仪器包括尺寸检测仪器、表面形貌检测仪器、晶相结构检测仪器、成分检测仪器中 的一种或多种。

上述检测仪器包括扫描电镜、X射线仪、红外热像仪、质谱仪中的一种或多种。

上述滴涂装置基于螺旋泵挤压方式实现。

二、基于纳秒-皮秒-飞秒激光复合的陶瓷微结构3D打印系统，按设计的陶瓷微结构 逐层执行以下步骤：

(1)陶瓷粉末与胶体按(0.01～0.6)：1的质量比混合形成陶瓷粉胶混合物，将陶瓷 粉胶混合物加入滴涂装置；

(2)真空环境下，采用滴涂装置将陶瓷粉胶体混合物滴涂到置于工作台上基板的打 印区域，并预热；

(3)多波长一体化光纤激光器同时提供纳秒激光和皮秒激光对打印区域加温，进 行陶瓷烧结，同时，实时监测系统对打印区域当前层的尺寸、表面形貌、晶相结构、化 学成分中的一种或多种进行监测，并将监测结果反馈至控制中心；

(4)控制中心根据监测结果和设计的几何形貌、表面粗糙度进行比较，获得几何形 貌或表面粗糙度未达到设计要求的特定区域；

(5)多波长一体化光纤激光器提供飞秒激光对已烧结当前层的特定区域进行微加 工，即对已烧结当前层特定区域的微结构和表面进行抛光。

上述陶瓷粉末为氧化铝、氧化锆或二氧化硅。

本发明系统的工作原理如下：

采用滴涂装置将陶瓷粉胶混合物以液滴形式滴涂工作台基本上，采用纳秒激光和皮 秒激光烧结陶瓷粉胶混合物，获得陶瓷微结构。采用飞秒激光对陶瓷微结构进行微加工， 形成表面光滑的高精度陶瓷微结构。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

低成本，高效率，高精度，可加工复杂微结构，适用于大规模制造陶瓷微结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明方法，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地 介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅为本发明实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统陶瓷微结构制作工艺示意图；

图2为本发明陶瓷微结构3D打印系统；

图3为本发明陶瓷微结构3D打印流程图。

图中，0010-滴涂装置，0020-陶瓷粉胶混合物，0030-纳秒激光探头，0040-皮秒激光 探头，0050-飞秒激光探头，0060-扫描电镜，0070-X射线仪，0080-红外热像仪，0090- 质谱仪，0001-陶瓷微结构，0011-工作台，0012-三维移动平台，0013-模具，0014-模芯， 0015-支持柱，0016-微结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

图1为传统陶瓷微结构加工方法，首先将陶瓷粉胶混合物(0020)置于模具(0013) 内，在陶瓷粉胶混合物(0020)中放置用于制作微结构的模芯(0014)，将装有陶瓷粉胶 混合物(0020)的模具(0013)置于一大型模具内进行高温烧结。最后，通过机械法或 化学腐蚀法去掉模芯(0014)，从而获得陶瓷微结构。

见图2，本发明装置主要包括多波长一体化光纤激光器、实时监测系统、滴涂装置 (0010)、工作台(0011)、三维移动平台(0012)和控制中心(未在图中画出)，工作台 (0011)置于三维移动平台(0012)上，多波长一体化光纤激光器、实时监测系统、滴 涂装置(0010)、三维移动平台(0012)均与控制中心信号连接。

多波长一体化光纤激光器包括激光控制器(未在图中画出)、纳秒激光探头(0030)、 皮秒激光探头(0040)和飞秒激光探头(0050)，纳秒激光探头(0030)、皮秒激光探头 (0040)和飞秒激光探头(0050)均与激光控制器相连。本发明多波长一体化光纤激光 器可提供最小可加工特征尺寸在1um以内、精度在100nm以内的激光，其最高精度可 达到0.1nm。

实时监测系统包括控制驱动系统(未在图中画出)和检测仪器，检测仪器与控制驱 动系统相连，检测仪器包括尺寸检测仪器、表面形貌检测仪器、晶相结构检测仪器、成 分检测仪器中的一种或多种，可根据实际需求选择检测仪器。具体实施中，检测仪器包 括扫描电镜(0060)、X射线仪(0070)、红外热像仪(0080)和质谱仪(0090)。

滴涂装置(0010)基于螺旋泵挤压方式实现陶瓷粉胶混合物(0020)的滴涂。控制 中心用来控制多波长一体化光纤激光器、实时监测系统、滴涂装置和三维移动平台工作， 并接收实时监测系统反馈的监测数据。

图3为本发明方法工艺流程图，本发明按设计的陶瓷微结构逐层执行以下步骤：

(1)陶瓷粉末与胶体按(0.01～0.6)：1的质量比混合形成陶瓷粉胶混合物，将陶瓷 粉胶混合物加入滴涂装置(0010)。陶瓷粉末可为氧化铝、氧化锆或二氧化硅。

(2)真空环境下，采用滴涂装置(0010)将陶瓷粉胶体混合物滴涂到置于工作台 (0011)上基板的打印区域，并预热。

(3)多波长一体化光纤激光器同时提供纳秒激光和皮秒激光对打印区域进行加温， 燃烧陶瓷粉胶体混合物中胶体并完成烧结；同时，实时监测系统对打印区域当前层的尺 寸、表面形貌、晶相结构、化学成分中的一种或多种进行监测，并将监测结果反馈至控 制中心。

(4)控制中心根据监测结果和设计的几何形貌、表面粗糙度进行比较，获得几何形 貌或表面粗糙度未达到设计要求的特定区域。本步骤可通过人工操作完成。

(5)多波长一体化光纤激光器提供飞秒激光对已烧结当前层的特定区域进行微加 工，即对已烧结当前层特定区域的微结构和表面进行抛光。

重复步骤(1)～(5)以完成下一层的成型，从而获得陶瓷微结构。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公 开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保 护的范围。