基于电场驱动喷射微3D打印的大面积微透镜阵列制造研究

大面积圆形、柱状及梯度折射率微透镜阵列在裸眼3D、光学传感、仿生学、医疗内窥镜等领域具有非常广泛的需求,然而,如何实现大面积多类型微透镜阵列的简单化、低成本、高效率制造是学术界与产业界共同面临的一项挑战性难题.基于电场驱动喷射微3D打印技术,提出了一种可实现大面积多类型微透镜阵列制备的新方法,通过实验揭示了主要工艺参数...     

低色差GRIN棒透镜的设计原则

对梯度折射率(GRIN)棒透镜色差的影响因素进行了讨论,根据Fantone模型,在光学玻璃Nd-V图中直观地表示了离子交换法制备低色差GRIN棒透镜时交换离子对的选择原则和基础玻璃光学性能确定原则.分析表明,以具有常用光学性质的玻璃作为基础玻璃,可以通过Na⁺/Li⁺交换或K⁺/Cs⁺交换获得低色差GRIN棒透镜,而K⁺/Tl⁺交换和Na⁺/Ag⁺交换所制作的GRIN棒透镜具有很大的色差.上述原则对低色差GRIN棒透镜的制作具有指导意义.     

LED和梯度折射率透镜投影系统光路设计

现有的数字光处理投影(DLP)系统采用色轮和中继透镜等元器件,由此导致投影系统结构复杂。针对现有技术的缺陷,本文设计了一种以三色LED作为照明光源,以梯度折射率透镜形成平行光的新型DLP投影系统。和传统的投影系统相比,减少了色轮、中继透镜、反射镜等元器件,简化了光学系统的结构。借助于Tracepro软件进行了模拟与仿真,对光线追迹的结果进行分析,分析得到整个投影系统的光斑均匀性为96.9%。结果表明本设计使投影系统的光路得到了简化,光斑的均匀性也得到了改善。本设计只需要选择合适的投影镜头,就可以消除LED面光源宽度过大对投影光斑的影响。     

抛物型发散梯度折射率纤维透镜光学特性的限制

从近轴条件下的光线轨迹方程出发,导出了计算抛物型发散梯度折射率纤维透镜有效长度的方程式,并讨论了该纤维透镜大端、小端对目标成像的孔径和视场。     

基于空气动力学透镜的线性聚焦3D打印送粉喷头设计与性能研究

提出一种基于“空气动力学透镜”的具有粉末线性聚焦功能的新型3D打印送粉喷头,可以使粉末流在喷头出口一定距离内均保持汇聚状态。设计了该新型喷头的内腔结构,建立了粉末颗粒在喷头中的汇聚运动模型,分析了颗粒运动的斯托克斯数S、空气动力学透镜第一节孔径d_f、孔径收缩率δ以及粉末进入喷头的入射角α对粉末颗粒聚焦性能的影响。研究结果表明：对于粒径为15～25μm的316L颗粒,该喷头可以将粉末颗粒聚焦成半径1.55 mm的粉末流,且在喷嘴外20 mm范围内均保持良好的汇聚状态;实验结果和计算结果基本一致。该新型空气动力学透镜3D打印送粉喷头的颗粒汇聚性能明显优于传统喷头,对于促进沉积增材制造的灵活性和适用性具有重要意义。     

基于3D打印教具设计与制造

重点阐述3D打印技术对教具设计与制造的作用,针对教具的设计与制造耗时、更新速度慢、生产成本高等问题,通过结合3D打印技术进行教具的单件小批量生产,达到降低教具设计与制造成本,普及立体化教具的教学作用。     

渐变折射率人工电磁介质设计与3D打印制造

提出一种以物理性能驱动的人工电磁介质宏/微结构一体化设计与制造方法;以超材料尺度的光子晶体结构为研究对象,建立超材料单胞结构特征参数与等效介电常数及折射率之间的映射关系,实现渐变折射率人工电磁介质的可控设计;在理论计算的基础上,采用基于渐变折射率超材料结构设计了"地毯式隐形罩"、"电磁黑洞"等器件;以光固化3D打印技术为制造手段,光敏树脂为基体材料,实现具有复杂结构的三维电磁器件,并对其性能进行研究;结果表明,所设计器件在Ku波段(12~18 GHz)具有宽频性能,且能够在自由空间实现电磁波的可控传播。研究验证了利用3D打印技术进行人工电磁介质器件制造的可行性,为其进一步推广应用奠定了基础。     

基于3D打印的机械零件轻量化设计与制造

3D打印技术和轻量化技术是近年来发展较为快速的先进技术.为了研究机械零件轻量化的问题,以山地自行车结构部件中的一个连接件为例,采用概念设计工具Altair Inspire对连接件进行设计空间的几何重构及重构前后的强度对比分析,再采用3D打印中的子模型新技术和合理设置工艺参数的方法,进行了机械零件轻量化设计与制造.实验结...     

基于液体透镜的自动变焦扫描镜头的设计与验证

由于定焦镜头自身的景深问题使传统的扫码器不具备大的工作距离。为了满足工作人员在不更换扫描器的情况下既能实现近距离的信息读取又能实现十几米外的信息读取,研发了一款基于电润湿（electrowetting on dielectric,EWOD）液体透镜的自动变焦扫描镜头。通过调整液体镜片形状来实现镜头参数特别是焦距的变化,使得从近到远的所有对象都能成像在焦面上,从而达到自动变焦的效果。通过Zemax软件设计出一款成像范围为80 mm至无穷远的自动变焦扫描镜头,并完成了成像质量的验证。     

点阵结构填充模型的边界强化设计方法

对于填充均质点阵结构的零部件,其失效往往首先出现在近边界端的梁模型处,外部载荷无法有效传递至点阵结构内部.针对上述问题,提出一种参数化边界强化技术,实现了连接牢固的"点阵实体"优化模型设计.以连杆零件为例,将优化模型与等体积的均质点阵结构填充模型进行了对比验证.结果表明,所提方法保证了载荷的有效传递,且边界连接处更加牢...     

基于龙伯透镜的共口径双星双通道天线关键技术

针对通信业务对远程通信高速率以及多进程的迫切需求,基于龙伯透镜多焦点特性能够满足多星通信要求这一性能优势,研发出一种高可靠、高精度、长寿命和轻量化的卫星通信天线。研究侧重于双星天线的总体架构设计和多轴系高精度伺服系统的结构装配工艺。 同时针对龙伯透镜工程化难题,开展龙伯透镜分层设计和制造工艺优化分析,解决龙伯透镜参数控制及装调等工艺难点,为天线的生产加工提供指导。     

Aspherical Lens Design Using Computational Lithography

Optical lithography is often applied to fabricate three-dimensional (3D) patterns because of its capability on the scale of optical wavelengths. An aligner, a laser writer, and a stepper with an optical projection system are used as the exposure tool. The focusing capability must enable exposure of step heights of ≥50 μm, which is normally achieved using an optical projection system with a large focal depth. Recently, a projection lens was developed that can produce a variable step height using an adjustable numerical aperture, which has led to the fabrication of micro-lens arrays (MLAs) with step heights as high as 100 μm. These MLAs are used in various fields but mostly only as condensing lenses. However, wider applications await the realization of optical aberration reduction. The introduction of aspherical lenses would be a major step in this direction; however, aspherical lenses are difficult to produce because of the limitations in processing and polishing the aspherical surfaces of optical elements made of glass. Alternatively, the fabrication of 3D patterns using optical lithography involves a photomask whose optical density distribution corresponds to the 3D profile after exposure and development. A density distribution corresponding to the desired 3D shape can be achieved using a computer to control the dot density of a microdot mask pattern. In this study, we present a design method for low-aberration aspherical MLAs that satisfies the Rayleigh standard using computational lithography.     

柔性天线的异质基板设计、制作及测试

文中提出了一种可应用于柔性天线的异质基板,并使用PolyJet 3D打印机进行异质基板的制造。异质基板由均匀分布在柔性材料Agilus内的数字型ABS组合而成,通过改变数字型ABS的体积占比,可以调整异质基板的机械性能和介电性能。首先,通过有效介质近似理论估算异质基板的介电特性,设计异质基板及不同占比数字型ABS的尺寸。随后,根据设计的模型通过PolyJet进行混合打印并通过环形谐振器理论进行异质基板介电性能的表征。最后,在异质基板上制造贴片天线并测试了不同弯曲条件下天线的性能。     

基于逆向工程的产品快速制造的研究

以吸尘器为例,详细阐述了逆向工程技术和快速成型技术在产品设计中的应用和实现。采用三坐标测量机测得吸尘器表面若干空间点数据,利用U G N X 6.0对其点云数据进行处理并完成三维C A D模型的重建,最后基于3D P技术实现对吸尘器原型的快速成型制造,从而为后续对新产品进行快速评价、结构优化验证和性能测试等方面打下坚实的基础。结果表明,逆向工程与快速成型技术相结合,为新产品尤其是复杂型面产品的设计与制造提供了更为广阔的平台,并且缩短产品开发周期、降低试制成本、避免产品研发失败的风险,可以极大地提高企业的竞争力和经济效益。     

模块化教学机器人平台设计

模块化是机器人设计的主要发展方向。建立了一个用于实践教学的模块机器人平台,介绍了通用模块库中各个模块的功能,以及在实验中根据任务设计专用模块,并使用3D打印技术完成专用模块制作。实验结果表明该平台在机器人设计的实践教学中取得了良好效果。     

面向3D打印复合工艺的生物CAD/CAM系统及试验研究

3D打印复合成形工艺将3D打印技术与静电纺丝技术相结合,在构建具有多尺度多梯度结构特征的,生物硬组织修复用再生支架方面表现出独特优势。提出一种针对3D打印复合成形工艺的生物CAD/CAM系统构建方法,不仅能实现成形过程的自动监控,保证多工艺的柔性复合,而且能实现从STL模型,到生成加工路径信息,并最终驱动系统硬件进行加工的自动化处理流程。该系统及方法将生物建模软件与生物3D打印复合成形系统有效集成,将CAD过程中无法建模的尺度信息与来自CAD的加工信息有机结合并处理,有效解决了3D打印成形再生支架时,精度受限而无法在支架内部成形微观尺度结构的问题。最后,通过骨组织工程支架的制备试验验证了系统的有效性。     

超精密光刻物镜缓冲包装设计

采用数值模拟的方法开展光刻物镜镜组的跌落分析,结合数值寻优的方式,以光刻物镜所能承受的最大加速度为约束条件确定缓冲结构的尺寸参数,并通过跌落实验验证数值仿真的准确性与可靠性,进而指导超精密光刻物镜缓冲包装的参数设计。利用此方法对质量为10 kg、镜片口径为160 mm,径厚比为8.89光刻物镜镜组进行缓冲结构设计,实验结果表明,其从10 cm高度跌落后最大加速度为4.4 g,面形变化仅为0.36 nm,满足超精密光学设备的动力学指标要求。