[发明专利]制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置及其打印方法

权利要求书

1.一种制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置，其特征在于：采用自上而下的投影结构，包括DLP、光学微缩投影模块、交联反应监控模块和电动轴向打印模块；其中，DLP提供带有光固化图像信息的投影光，所述光固化图像用于同时调控水凝胶光纤的几何结构和交联程度；光学微缩投影模块包括第一管镜、透反镜和显微物镜，投影光入射到第一管镜，经第一管镜后进入透反镜，通过透反镜入射到显微物镜，显微物镜将投影光以显微镜物镜的倍率缩小后得到微米级的光固化图像，并投影至打印槽液面处，即打印面；交联反应监控模块位于微缩投影模块的共轭光路上，所述交联反应监控模块包括第二管镜和CCD，打印面的反射光经透反镜透射到第二管镜，经第二管镜会聚到CCD上，用于实时观察打印面的交联反应程度，并配合悬浮光交联控制技术进行水凝胶光纤打印质量的调控；电动轴向打印模块包括打印槽、石英光纤和电动平移台，打印槽为底部带穿线孔的圆桶，打印槽内装填用于打印水凝胶光纤的阻断式预制液，石英光纤通过穿线孔穿入打印槽，石英光纤在打印槽内的端面作为光交联打印基底，另一端固定于电动平移台上，电动平移台匀速拉动光交联基底进行自上向下的运动，配合悬浮光交联控制技术实现水凝胶光纤连续均匀的轴向打印。

2.根据权利要求1所述的制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置，其特征在于：所述悬浮光交联控制技术能够实现光固化交联反应的持续发生且仅发生在打印面，具体如下：利用交联反应监控模块控制光固化图像投影在打印槽液面，即打印面的光固化交联反应始终发生在水凝胶预制液和空气的交界处，该交界处表面能低，具备高效的水凝胶离型能力；同时，利用光学微缩投影模块限制的微米级水凝胶光纤纤径，配合打印拉伸速度，保证预制液的充分回流，使打印面持续性发生光固化交联反应；另外，借由水凝胶光纤阻断式预制液的光学高阻特性，使有效光固化区域仅发生在打印面，保证了光固化打印的轴向分辨率，进而制作出具有轴向连续且均匀性的线性水凝胶光纤。

3.根据权利要求2所述的制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置，其特征在于：所述光固化图像用于同时调控水凝胶光纤的几何结构和交联程度，具体如下：所制作的水凝胶光纤的横截面由光固化图像信息决定，其中光固化图像尺寸决定水凝胶光纤的横截面直径尺寸；光固化图像的形状决定水凝胶光纤的横截面几何结构；光固化图像的光强分布决定水凝胶光纤的横截面自由基交联程度分布，即折射率分布。

4.根据权利要求1所述的制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置，其特征在于：所述用于打印水凝胶光纤的阻断式预制液，具体如下：包括体积百分比分别为30%~40%的丙烯酰胺单体化合物、1%~2%的N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、0.01%~0.03%的苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂、0.01%~0.05%的柠檬黄、57.92%~68.98%的去离子水，总体积为100%；

丙烯酰胺单体化合物用以组成高分子水凝胶聚合物；

N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，提供不饱和双键或多个官能团交联单体连结成高分子网络；

苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基亚磷酸锂，用于吸收光子能量产生自由基引发单体化合物发生交联反应；

柠檬黄，用于悬浮光固化控制技术，限制反应面以外的光交联反应，提高轴向打印精度及分辨率；

去离子水作为溶剂，溶解上述材料并配比总预制液为100%体积。

5.一种基于制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置的打印方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：将石英光纤从穿线孔穿入打印槽，此时打印槽自然形成密封结构，再向打印槽内倒入用于打印水凝胶光纤的阻断式预制液，预制液液面与石英光纤的打印基底齐平，并静置消除液体晃动；

第二步：将带有水凝胶光纤横截面调控信息的光固化图像通过DLP投影于气液交界处；

第三步：气液交界处开始发生交联反应并形成水凝胶光纤，此时利用光诱导耦合技术使水凝胶光纤与石英光纤形成耦合结构；

第四步：匀速向下抽拉石英光纤，进而持续拉动已交联的水凝胶光纤向下运动，利用悬浮光交联控制技术使光固化交联反应在交界处持续发生，得到轴向连续且均匀的水凝胶光纤；

第五步：待制作好的水凝胶光纤从打印槽中取出后，浸泡入去离子水或蒸馏水中至少30分钟，析出吸光剂及其他未反应残液。

6.根据权利要求5所述的基于制作水凝胶光纤的悬浮光固化3D打印装置的打印方法，其特征在于，所述光诱导耦合技术，具体如下：所使用的石英光纤在打印槽内的端面作为打印基底，开始打印前置于气液交界面并静置，利用交联反应监控模块观察所投影的光固化图像清晰的成像在石英光纤上，打印开始，并在交联反应开始一段时间内保持不动，直至水凝胶胶体稳定形成于石英光纤打印端面并完全包裹住石英光纤末段后，再开始水凝胶光纤的抽拉打印，此时水凝胶光纤与石英光纤之间形成了紧密稳定的耦合连接结构，便于水凝胶光纤的光耦合和光纤组网应用。