菲涅尔透镜聚焦声泳打印系统设计及实验研究

作     者：徐钢 

作者单位：厦门理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：舒霞云;王平江

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：声泳打印 菲涅尔透镜 超声聚焦 正交实验 微透镜阵列 

摘      要：喷墨打印有高效、便捷等优势,有利于大面积制备微透镜阵列,但传统的喷墨打印技术(如电流体式、压电式喷墨打印)受到材料电、化和磁性质的限制,能使用的材料种类有限。声泳打印技术通过声辐射力来驱动液滴实现打印,不仅不受材料电、化和磁性质的限制,而且适用的粘度范围广,在微透镜阵列制备领域有良好的应用前景。本文提出了一种使用菲涅尔透镜来聚焦声波的声泳打印技术,主要研究内容如下:(1)阐述菲涅尔透镜聚焦声泳打印工作原理并进行仿真建模。进行菲涅尔透镜的结构设计并构建透镜作用下的声场模型,研究透镜与基底间距、透镜厚度、超声功率对声场的影响规律。构建声泳打印流场模型,研究声压、材料粘度、喷嘴内径对打印效果的影响规律。(2)基于仿真分析结果设计并构建菲涅尔透镜聚焦声泳打印系统。设计聚焦超声波的菲涅尔透镜并在此基础上构建包括声泳打印装置、供液装置、运动平台、实时观测等四个部分的菲涅尔透镜聚焦声泳打印系统。(3)开展菲涅尔透镜聚焦声泳打印的主要因素实验研究。首先,对声泳打印过程中出现的液滴雾化和液滴打印现象进行分析;然后,采用控制变量法探究透镜与基底间距、透镜厚度、超声功率等主要因素对声泳打印效果的影响规律,并进一步通过正交实验优选工艺参数;最后,由聚乙二醇液滴阵列得到液滴的最小平均直径为751.58μm,其标准差为8.38μm。(4)基于菲涅尔透镜聚焦声泳打印进行微透镜阵列的制备及检测。使用声泳打印技术将UV胶分别在PET、PMMA、PDMS和玻璃基底上制备微透镜阵列,并进行几何性能及光学性能检测。类半球形微透镜阵列具有光洁的表面与清晰的轮廓,可以实现多重成像。分析表明调整微透镜阵列的间距可以对其透射率进行调控。微透镜阵列透射率最高为84.31%,最低为47.45%,验证了使用菲涅尔透镜聚焦声泳打印技术进行微透镜阵列制备的可行性。