面曝光快速成形系統(tǒng)中涂層技術(shù)的研究* ＊

王亞寧 胥光申 巨孔亮 金礦礦 羅 聲

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710048)

面曝光快速成形技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種制作高精度小尺寸零件的快速成形技術(shù)。每一個(gè)制件都由層厚相同或不同的薄片堆積而成。每一層的厚度由涂層厚度決定。在制作時(shí)，通過(guò)視圖發(fā)生器在液態(tài)光敏脂表面生成掩模，實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂的選擇性固化。為保證制件在堆積方向的精度，必須控制涂層厚度，使涂層厚度與制件分層厚度相等。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光固化快速成形系統(tǒng)的涂層技術(shù)做了大量研究:趙萬(wàn)華［2］教授提出了瀑布式涂層系統(tǒng)，當(dāng)一層樹(shù)脂固化后，工作臺(tái)下降一層，儲(chǔ)液槽中的樹(shù)脂通過(guò)刮板中部的間隙涂覆在工件的上表面，通過(guò)刮板進(jìn)行刮平運(yùn)動(dòng)，刮走多余的樹(shù)脂，修平樹(shù)脂液面并使液面盡快達(dá)到平衡狀態(tài)。胥光申［3］等提出了無(wú)擾動(dòng)活塞式涂層工藝，并進(jìn)一步提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)化涂層參數(shù)的新型涂層工藝。利用該涂層工藝，既提高了

涂層厚度的均勻性，也提高了制件堆積方向尺寸精度和結(jié)構(gòu)特征的位置精度。吳懋亮［4］博士研究了刮刀參數(shù)(刮刀間隙、刮刀速度)對(duì)涂層厚度的影響，并針對(duì)涂層厚度的波動(dòng)對(duì)刮刀間隙進(jìn)行了優(yōu)化。Renap K 和Kruth J P［5］通過(guò)試驗(yàn)得出了涂層參數(shù)對(duì)涂層質(zhì)量的影響，并提出利用不同的刮削速度可提高具有陷阱結(jié)構(gòu)制件的制作精度。

但是，以上研究均是針對(duì)與它們各自相對(duì)應(yīng)的快速成形系統(tǒng)而設(shè)計(jì)相應(yīng)涂層系統(tǒng)，不同的涂層系統(tǒng)各有特點(diǎn)，涂層性能也有差異，因此其結(jié)論并不能直接應(yīng)用到面曝光快速成形系統(tǒng)當(dāng)中。本文針對(duì)面曝光成形系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了一種浸入式涂層系統(tǒng)，并對(duì)其涂層性能進(jìn)行研究，得出了涂層參數(shù)與涂層厚度的關(guān)系?；谠撽P(guān)系，可通過(guò)控制涂層參數(shù)實(shí)現(xiàn)較高的涂層精度。

1 涂層系統(tǒng)的組成

本文針對(duì)面曝光快速成形系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)了一種浸入式涂層系統(tǒng)。如圖1 所示是面曝光快速成形系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、試圖發(fā)生器、工作臺(tái)和涂層系統(tǒng)等組成。其中涂層系統(tǒng)由樹(shù)脂槽、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、絲桿、刮刀、導(dǎo)軌等組成。該涂層系統(tǒng)工作時(shí)，需將刮刀調(diào)整至與樹(shù)脂液面平齊。涂層過(guò)程為:首先，當(dāng)一層樹(shù)脂完成曝光固化后，升降工作臺(tái)先下降一定高度并使工作臺(tái)在液態(tài)樹(shù)脂中作短暫停留，讓樹(shù)脂槽內(nèi)的樹(shù)脂流到工作臺(tái)上。其次，升降工作臺(tái)再上升一定高度(下降高度比上升高度多1 個(gè)層厚)。之后，刮刀拖拽樹(shù)脂流動(dòng)在已固化層上形成樹(shù)脂薄層。最后，進(jìn)行曝光固化。如此循環(huán)進(jìn)行，直至制件成形完成。

2 涂層的形成

如圖2 所示為浸入式涂層工藝中樹(shù)脂層的形成過(guò)程:

(1)如圖2a 所示，當(dāng)掩模圖形對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行選擇固化結(jié)束后，制件的已固化層與液面平齊。

(2)如圖2b 所示，工作臺(tái)下降一定距離，并在液態(tài)樹(shù)脂中短暫停留。

(3)如圖2c 所示，工作臺(tái)上升一定距離(上升距離比下降距離少一個(gè)分層厚度)，由于樹(shù)脂本身的粘性造成的內(nèi)摩擦阻力以及液態(tài)樹(shù)脂表面張力的作用，使液態(tài)樹(shù)脂不會(huì)完全自動(dòng)流平，在制件上形成樹(shù)脂堆積。

(4)如圖2d 所示，刮刀做刮削運(yùn)動(dòng)，樹(shù)脂在刮刀的拖拽下流動(dòng)。當(dāng)遠(yuǎn)離制件時(shí)，刮刀前端樹(shù)脂堆積不明顯，樹(shù)脂流動(dòng)以剪切流動(dòng)為主。

(5)如圖2e 所示，當(dāng)刮刀接近制件時(shí)，被刮刀拖曳的樹(shù)脂遭遇制件阻礙后，在刮刀的前端形成堆積。當(dāng)刮刀運(yùn)動(dòng)到制件上方時(shí)，樹(shù)脂的流動(dòng)可分為兩部分:一部分是在刮刀的拖拽下產(chǎn)生的剪切流動(dòng)，另一部分是在刮刀前端堆積的樹(shù)脂的作用下產(chǎn)生的壓力流動(dòng)。

(6)如圖2f 所示，刮刀刮削運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，制件上形成樹(shù)脂薄層，等待掩模圖形選擇曝光固化形成樹(shù)脂涂層。

3 涂層厚度模型的建立

刮刀做刮削運(yùn)動(dòng)時(shí)，則刮刀底面與已固化層之間的液體流動(dòng)可近似為不可壓縮粘性流體在兩平行板間的流動(dòng)［3］。如圖3 所示，兩平行板間充滿(mǎn)不可壓縮粘性流體，下板不動(dòng)，上板以速度U 向x 方向勻速運(yùn)動(dòng)，兩板間距為2b，假設(shè)涂層時(shí)兩板間樹(shù)脂溫度分布均勻，樹(shù)脂流動(dòng)是層流。設(shè)沿x 方向壓強(qiáng)梯度為常數(shù)。則兩平行板間液體沿y 方向的速度分布u 為［7］:式中:L 為上板實(shí)際長(zhǎng)度(刮刀厚度);p1、p2分別為1、2處的壓力;μ 為液體粘度。由式(1)可得出不可壓縮粘性流體在兩平行板間的流動(dòng)由兩部分線(xiàn)性疊加組成，一部分是壓力流動(dòng)，速度呈拋物線(xiàn)分布;另一部分由上平板拖動(dòng)的純剪切流動(dòng)，速度呈線(xiàn)性分布［7］。

圖4 是刮刀底面與制件上表面之間樹(shù)脂流動(dòng)的示意圖。假設(shè)刮刀底部與制件間隙中樹(shù)脂流動(dòng)滿(mǎn)足兩平行平板間的粘性流動(dòng)條件，則間隙中樹(shù)脂的速度分布服從式(1)。圖4 中樹(shù)脂沉積在m - m 截面處，在已固化面上形成涂層(涂層的厚度為h)，涂層過(guò)程中刮刀相對(duì)已固化層的速度為U，兩板間樹(shù)脂相對(duì)于已固化層速度為u，則兩板間樹(shù)脂相對(duì)于刮刀的速度v 為:

則m-m 截面處單位寬度體積樹(shù)脂相對(duì)于刮刀流量為:

n-n 截面處單位寬度體積樹(shù)脂相對(duì)于刮刀流量為:

由于沒(méi)有其他樹(shù)脂流入，所以q1=q2。由此，可得涂層厚度為

由式(5)可知，涂層厚度是剪切流形成的樹(shù)脂層厚度和壓力流形成的樹(shù)脂層厚度線(xiàn)性疊加而成的。若p2-p1=0，刮刀間隙兩端的壓力差為零，即刮刀前端無(wú)樹(shù)脂堆積，樹(shù)脂的涂鋪僅依靠刮刀底面對(duì)樹(shù)脂拖曳造成的純剪切流動(dòng)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)涂層厚度恰好為刮刀間隙的一半。由浸入式涂層系統(tǒng)涂層過(guò)程可知:刮刀前端樹(shù)脂堆積必然存在，即p2-p1＞0。因此，影響涂層厚度的參數(shù)主要有刮刀間隙，刮削速度，刮刀厚度，刮刀前后兩端壓力差以及樹(shù)脂粘度等。

4 涂層參數(shù)對(duì)涂層厚度影響的研究

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由快速成形的累加特性看，涂層質(zhì)量決定了制件的堆積方向精度。想要提高制件的堆積方向精度，就應(yīng)使涂層厚度等于分層厚度。通過(guò)試驗(yàn)的方法得出了涂層參數(shù)與涂層厚度的關(guān)系?；谠撽P(guān)系，可通過(guò)改變涂層參數(shù)有效控制涂層厚度，提高制件的堆積方向精度。

4.2 試驗(yàn)方法

在不同的涂層參數(shù)條件下制作臺(tái)階狀的制件(圖5 所示)，用顯微鏡測(cè)量制件不同位置的涂層厚度。比較同一參數(shù)取不同值時(shí)涂層厚度的變化。由于單層涂層厚度h 變化有隨機(jī)性，因此，采用20 層的平均層厚表征涂層厚度。

4.2.1 刮刀間隙對(duì)涂層厚度的影響

表1 是刮刀間隙g 取不同值時(shí)測(cè)量的實(shí)際涂層厚度h 及平均層厚數(shù)據(jù)。圖6 是刮刀間隙與平均涂層厚度的關(guān)系圖線(xiàn)。由圖6 可見(jiàn)，隨刮刀間隙的增大，平均涂層厚度隨之增大。由表1 中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，涂層厚度約等于刮刀間隙，當(dāng)刮刀間隙由0.1 mm 增加到0.2 mm 時(shí)，平均涂層厚度增加了97. 5%。

表1 不同刮刀間隙時(shí)的涂層厚度

4.2.2 刮削次數(shù)對(duì)涂層厚度的影響

表2 是刮削次數(shù)n 取不同值時(shí)測(cè)量的實(shí)際涂層厚度h 及平均層厚h-數(shù)據(jù)。圖7 是刮削次數(shù)與平均涂層厚度的關(guān)系圖線(xiàn)。由圖7 可見(jiàn)，隨刮削次數(shù)增加，平均涂層厚度隨之增大。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)刮削次數(shù)由2提高到6 時(shí)，平均涂層厚度增加了3.1%，增大幅度不明顯。

表2 不同刮削次數(shù)時(shí)的涂層厚度

4.2.3 刮削速度對(duì)涂層厚度的影響

表3 是刮削速度v 取不同值時(shí)測(cè)量的實(shí)際涂層厚度h 及平均層厚數(shù)據(jù)。圖8 是刮削速度與平均涂層厚度的關(guān)系圖線(xiàn)。由圖8 可見(jiàn)，隨刮削速度的增大，平均涂層厚度隨之減小。由表3 中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，刮削速度由6 mm/s 提高到14 mm/s 時(shí)，平均涂層厚度減小了1%，變化幅度較小。

表3 不同刮削速度時(shí)的涂層厚度

5 制件高度對(duì)涂層厚度的影響

為了觀察本文所提出的涂層系統(tǒng)是否存在涂層厚度隨制件高度產(chǎn)生變化的問(wèn)題，制作一個(gè)如圖5 所示的臺(tái)階模型，該模型高40 mm，分層厚度0.2 mm，制作條件為:刮刀間隙:0.2 mm，刮削次數(shù):2 次，刮削速度:10 mm/s。將該制件清洗干凈后，在顯微鏡下測(cè)量其涂層厚度，比較不同高度處的涂層厚度。采用10 層的平均層厚表征涂層厚度。表4 為在不同制件高度處測(cè)得的平均涂層厚度。圖9 是涂層厚度隨制件高度的分布。由表4 中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨著制件高度的增加，平均涂層厚度圍繞0.2 mm 上下波動(dòng)。在40 mm 的高度內(nèi)，涂層厚度與分層厚度的最大偏差為14.7 μm，為分層厚度的7.35%。以上結(jié)果表明該涂層系統(tǒng)中涂層厚度沒(méi)有隨制件高度的增加出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。

表4 不同制件高度處測(cè)得的平均涂層厚度

分層厚度為0.2 mm。制作條件:刮刀間隙為0.2 mm;刮削次數(shù)為2 次;刮削速度為10 mm/s;工作臺(tái)下降距離為3.2 mm。

6 試驗(yàn)結(jié)果討論

6. 1 刮刀間隙對(duì)涂層厚度的影響

刮刀間隙增大，即式(5)中b 增大，由式(5)可得，涂層厚度h 隨b 的增大而增大，因此，涂層厚度隨刮刀間隙的增大而增大。在大多數(shù)涂層系統(tǒng)中，涂層厚度約等于刮刀間隙的一半［3，5］。而在本文所提出的涂層系統(tǒng)中，涂層厚度約等于刮刀間隙。這主要是由于:①在大多數(shù)涂層系統(tǒng)中刮刀厚度L 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于刮刀間隙2b，而在本文提出的涂層系統(tǒng)中刮刀厚度為1 mm，刮刀間隙介于0.1 mm 到0.2 mm 之間，不滿(mǎn)足L ＞＞2b。②大多數(shù)涂層系統(tǒng)中的刮削速度U 在40 mm/s 以上，而本試驗(yàn)中U 介于4 mm/s 到16 mm/s 之間，相比之下，刮削速度較小。在這兩個(gè)原因的共同作用下，使由壓力流引起的涂層厚度變得較大，不可忽略。因此，涂層厚度不等于刮刀間隙的一半。

6.2 刮削次數(shù)對(duì)涂層厚度的影響

涂層系統(tǒng)工作時(shí)，刮刀要刮削過(guò)樹(shù)脂槽液面，由于刮刀與樹(shù)脂槽內(nèi)的樹(shù)脂液面有接觸，每刮削一次，樹(shù)脂槽內(nèi)總會(huì)有一部分樹(shù)脂由于刮刀的拖曳而產(chǎn)生剪切流動(dòng)，當(dāng)刮刀運(yùn)動(dòng)到工作臺(tái)范圍時(shí)，隨刮刀流動(dòng)的樹(shù)脂會(huì)堆積在刮刀前端，使得刮刀兩端的壓差增大，即式(5)中p2-p1增大，由式(5)可得涂層厚度h 隨p2-p1的增大而增大。因此，涂層厚度隨刮削次數(shù)的增大而增大。

6.3 刮削速度對(duì)涂層厚度的影響

刮削速度增大，即式(5)中U 增大，由式(5)可得，涂層厚度h 隨U 的增大而減小，因此，涂層厚度隨刮削速度的增大而減小。在本系統(tǒng)中，涂層厚度有隨刮削速度增大而減小的趨勢(shì)，但其變化成都不明顯。其主要原因是:試驗(yàn)中刮削速度變化范圍小。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，影響涂層厚度的主要參數(shù)是刮刀間隙。在本涂層系統(tǒng)中，涂層厚度等于刮刀間隙。故涂層厚度更易控制。

7 結(jié)論

(1)應(yīng)用流體力學(xué)理論得到了浸入式涂層系統(tǒng)的涂層厚度模型，得出涂層厚度受刮刀間隙，刮削速度，刮刀厚度，刮刀前后兩端壓力差以及樹(shù)脂粘度等參數(shù)的影響的結(jié)論。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了涂層參數(shù)對(duì)涂層厚度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:涂層厚度隨刮刀間隙的增大而增大;涂層厚度隨刮削次數(shù)的增大而增大;涂層厚度隨刮削速度的增大而減小。并且發(fā)現(xiàn)該涂層系統(tǒng)中涂層厚度與刮刀間隙相等。

(3)該涂層系統(tǒng)的涂層厚度不隨制件高度的增加出現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。

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