多材料面曝光增材制造方法與加工工藝研究

武向權(quán)，連芩，何曉寧，孟佳麗，李滌塵，靳忠民

（1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049；2.西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710126）

光固化原型技術(shù)是最早被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的一種增材制造技術(shù)，具有加工精度高、可加工材料種類多、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)使用含有不同成分的光敏材料，可加工各種具有不同用途的零件，如含有細(xì)胞或生長(zhǎng)因子的生物支架[1]、注塑用注塑模具、復(fù)雜精細(xì)陶瓷零件[2]及各種快速原型件等。按照不同的固化方式，光固化原型技術(shù)可分為激光掃描光固化（laser scan stereolithography）技術(shù)和面曝光光固化（mask projection stereolithography）技術(shù)。其中，面曝光技術(shù)可一次曝光加工一整個(gè)層面，具有加工效率高的優(yōu)點(diǎn)；且自底向上投影的面曝光技術(shù)具有節(jié)省材料、對(duì)不同材料粘度適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)。

目前，商用光固化原型技術(shù)只能用于加工單一材料，且同一個(gè)零件中只含當(dāng)次加工槽中的材料。隨著工業(yè)制造日趨復(fù)雜，單一材料的光固化原型技術(shù)已不能滿足特種零件的復(fù)雜性和功能性要求。若能在同一零件中加工多種材料，就能分別利用多種材料的物理、化學(xué)性質(zhì)或其復(fù)合性能，從而極大地提高光固化原型技術(shù)的自由度、加工能力和應(yīng)用范圍，并開(kāi)拓新的應(yīng)用方式和應(yīng)用前景。Wicker等[3-8]基于激光掃描技術(shù)對(duì)多材料光固化（multi-material stereolithography，MMSL）進(jìn)行了深入研究，通過(guò)改裝SL設(shè)備，保留其激光系統(tǒng)，并將原固定式樹(shù)脂槽更換為3個(gè)單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)式樹(shù)脂槽（2個(gè)材料槽、1個(gè)清洗槽），同時(shí)增加工作平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)自由度，即可對(duì)剛加工完一層的工件進(jìn)行倒置清洗；但由于已加工部分會(huì)浸入液態(tài)材料中，所以在更換加工槽前的清洗過(guò)程中會(huì)造成材料的浪費(fèi)。Zhou等[9]基于面曝光技術(shù)研究了一種數(shù)字材料制造技術(shù)，應(yīng)用了自底向上曝光的方式，可避免大部分已加工零件浸入液體材料中，從而在更換材料加工時(shí)能輕易地清洗掉前一種材料的殘余部分，減少了材料浪費(fèi)，提高了清洗速度；但由于仍采用多個(gè)材料槽的設(shè)計(jì)，其加工效率有待提高。

本研究的目的在于提供一種分區(qū)旋轉(zhuǎn)槽的多材料面曝光增材制造系統(tǒng)及方法，以解決光固化原型技術(shù)較難應(yīng)用于多材料加工領(lǐng)域的問(wèn)題。該裝置運(yùn)用自底向上面曝光固化材料的形式，通過(guò)配合三分區(qū)旋轉(zhuǎn)式材料槽和掩膜更換算法，并加入自動(dòng)清洗步驟，解決了兩種材料加工從模型設(shè)計(jì)到掩膜生成，再到加工、清洗的問(wèn)題。

1 多材料面曝光增材制造系統(tǒng)搭建

與自頂向下進(jìn)行激光掃描的光固化設(shè)備相比，本實(shí)驗(yàn)搭建的面曝光系統(tǒng)采用了自底向上面曝光的方式進(jìn)行材料固化。系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1a，主要由多材料加工模塊、曝光模塊和控制模塊組成。多材料加工模塊包括固定在Z軸上的成形臺(tái)、固定在X-Y平面上的三分區(qū)旋轉(zhuǎn)槽（圖1b）；曝光模塊包括波長(zhǎng)為400～410 nm的UVLED光源、像素為1140×912的DMD芯片及其驅(qū)動(dòng)電路以及投影鏡頭，鏡頭的投影面積為65.6 mm×41 mm、投影距離為92 mm、理論精度為51.25 μm；控制模塊包括運(yùn)動(dòng)控制模塊和曝光控制模塊。其中，運(yùn)動(dòng)控制模塊采用工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡MPC08（一種基于計(jì)算機(jī)PCI總線，配備功能豐富、簡(jiǎn)單易用的運(yùn)動(dòng)指令庫(kù)）和計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)控制的內(nèi)容包括：控制卡動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)調(diào)用、運(yùn)動(dòng)參數(shù)保存和加載、控制卡初始化、反饋信號(hào)采集和輸出、單步運(yùn)動(dòng)、插值運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)控制界面設(shè)計(jì)等。在加工過(guò)程中，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)形式會(huì)隨著加工工藝變化而變化，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加減速和停止時(shí)間難以計(jì)算，所以在QT編程框架下，采用qt C++語(yǔ)言將運(yùn)動(dòng)控制模塊和曝光控制模塊進(jìn)行整合，使曝光和運(yùn)動(dòng)按工藝要求有序進(jìn)行。在曝光過(guò)程中，將曝光模塊視為一個(gè)外接屏幕，將模型切層后生成的掩膜以視頻信號(hào)形式輸出到該屏幕上，以達(dá)到投影和曝光掩膜的目的。

圖1 多材料面曝光增材制造系統(tǒng)

1.1 三分區(qū)旋轉(zhuǎn)槽的設(shè)計(jì)

如圖1b所示，三分區(qū)旋轉(zhuǎn)槽可存放打印所需的多種材料，并實(shí)現(xiàn)在材料切換間隔清洗打印件底面的功能。普通面曝光設(shè)備的打印槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，未進(jìn)行分區(qū)隔斷，故無(wú)法容納多種材料實(shí)現(xiàn)多材料的3D打印。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)打印槽進(jìn)行等面積分區(qū)隔斷，并將其劃分為一個(gè)清洗功能區(qū)和兩個(gè)材料容納區(qū)。當(dāng)進(jìn)行多材料加工時(shí)更換材料槽分區(qū)，先更換至清洗分區(qū)，清洗后再更換至另一材料分區(qū)。

清洗功能的實(shí)現(xiàn)需采用物理和化學(xué)相結(jié)合的清洗方式，具體過(guò)程如下：先用乙醇清洗，再用高孔隙率的清洗海綿抹拭；在材料轉(zhuǎn)化間隔，控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，依靠粘附在打印槽側(cè)沿的清洗海綿內(nèi)的毛細(xì)管開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)抹拭過(guò)程中自動(dòng)完成對(duì)零件表面的清洗。該清洗方式具有清洗效力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可用于清洗凹凸不平面的特點(diǎn)，且不會(huì)損壞打印件表面。

1.2 多材料加工算法

多材料掩膜切換算法是在進(jìn)行不同材料加工時(shí)，自動(dòng)更換至對(duì)應(yīng)材料模型的掩膜隊(duì)列和對(duì)應(yīng)的掩膜；在進(jìn)行單材料加工時(shí)，不需更換掩膜隊(duì)列。加工時(shí)，首先對(duì)同一零件的兩種材料（A、B）分別建立三維模型，再分別對(duì)其進(jìn)行切層和生成掩膜處理；接著，將生成的兩個(gè)掩膜隊(duì)列導(dǎo)入多材料加工軟件，確定在同一高度分層（Ai+x，Bi+x）中是否含有兩種材料，并根據(jù)下一層的情況（只含有A、只含有B、同時(shí)含有A和B）自動(dòng)判斷最優(yōu)切換方案，實(shí)現(xiàn)最少的切換和清洗次數(shù)，以減少加工時(shí)間，提高清洗效率。圖2是加工算法在不同情況下自動(dòng)選擇的最優(yōu)加工路線，其中高度分層代表了加工過(guò)程中工作臺(tái)在Z方向的位置，A隊(duì)列和B隊(duì)列之間的切換箭頭代表了清洗和切換材料分區(qū)的過(guò)程。

圖2 加工算法在不同情況下自動(dòng)選擇的最優(yōu)加工路線

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料（環(huán)氧樹(shù)脂）

采用紅色、白色兩種光固化樹(shù)脂進(jìn)行多材料樣件的加工測(cè)試。根據(jù)《塑料拉伸性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)白色樹(shù)脂進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，并在22℃時(shí)進(jìn)行表現(xiàn)粘度測(cè)試，得到拉伸強(qiáng)度為29.25 MPa、彈性模量為87.75 MPa、表現(xiàn)粘度為612 mPa.s。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 臨界曝光量和透射深度測(cè)試

實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)兩個(gè)參數(shù)來(lái)衡量光敏樹(shù)脂的特性：一是光敏樹(shù)脂的臨界曝光量Ec（使光敏樹(shù)脂發(fā)生凝固時(shí)的最低能量）；二是光敏樹(shù)脂的透射深度Dp。在已知Ec、Dp兩個(gè)特性參數(shù)的前提下，可選定制作零件時(shí)的加工參數(shù)：紫外光功率、曝光時(shí)間及分層厚度。

實(shí)驗(yàn)制作了曝光時(shí)間為5 s、不同光強(qiáng)下的尺寸為20 mm×10 mm的長(zhǎng)方形薄片，并用異丙醇進(jìn)行清洗，再分別測(cè)量每一薄片的層厚。

2.2.2 多材料加工能力測(cè)試

為了驗(yàn)證所搭建設(shè)備及多材料算法的有效性，進(jìn)行了多材料加工能力測(cè)試。依據(jù)《塑料拉伸性能的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了拉伸試樣，并對(duì)拉伸試樣進(jìn)行改動(dòng)，設(shè)計(jì)了多材料界面剪切試樣。針對(duì)多材料零件所具有的層內(nèi)多材料、層間多材料、層內(nèi)層間混合多材料的材料分布特點(diǎn)，利用拉伸試樣和剪切試樣代表層內(nèi)多材料情況、“蠟筆小新”模型代表層間多材料情況、牙本質(zhì)-牙釉質(zhì)模型代表層內(nèi)層間混合多材料情況。其中，牙本質(zhì)-牙釉質(zhì)模型加工過(guò)程中的掩膜切換及清洗流程見(jiàn)圖3。

圖3 牙本質(zhì)-牙釉質(zhì)模型加工中掩膜切換和清洗流程

2.2.3 多材料成形件界面結(jié)合性能測(cè)試

通過(guò)設(shè)計(jì)拉伸實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)多材料成形件的不同材料結(jié)合面處在拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力作用下的斷裂情況，分析多材料快速成形對(duì)成形件力學(xué)性能的影響，為多材料加工件的應(yīng)用提供參考和指導(dǎo)。利用多材料加工能力測(cè)試中加工出的拉伸試樣和剪切試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在ETM-103A電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸測(cè)試，并利用TI-DH置熒光顯微鏡進(jìn)行斷裂面觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 臨界曝光量和透射深度測(cè)試結(jié)果

液態(tài)光敏樹(shù)脂對(duì)紫外光的吸收遵循比爾-朗伯特（Beer-Lambert）定律，據(jù)此可作出層厚與曝光能量lnE的相關(guān)關(guān)系曲線，進(jìn)而求出擬合直線的斜率b（透射深度）及直線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)a，并由公式y(tǒng)=a+bx求得臨界曝光量x。所得紅、白色兩種樹(shù)脂的固化性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 兩種樹(shù)脂材料的臨界曝光量及透射深度參數(shù)

在倒置熒光顯微鏡下對(duì)幾組長(zhǎng)方形薄片樣品進(jìn)行觀察、分析，可發(fā)現(xiàn)，隨著曝光功率的增加，兩種光敏樹(shù)脂零件的邊緣越來(lái)越不規(guī)則、不平滑，過(guò)曝光現(xiàn)象越來(lái)越明顯，所以在實(shí)際加工過(guò)程中應(yīng)注意控制曝光功率。

3.2 多材料加工能力測(cè)試結(jié)果

通過(guò)實(shí)物加工驗(yàn)證設(shè)備及算法的可行性，證明系統(tǒng)可適應(yīng)多種模型的加工。在加工過(guò)程中，牙本質(zhì)-牙釉質(zhì)模型的清洗效果好于剪切模型和拉伸模型，這是由于牙本質(zhì)-牙釉質(zhì)模型的截面面積小于剪切、拉伸模型，但在抹拭和清洗過(guò)程中有較多的殘余樹(shù)脂，故清洗過(guò)程仍需進(jìn)一步改進(jìn)。四種模型及加工實(shí)物見(jiàn)圖4。

圖4 不同模型的加工實(shí)物圖

3.3 多材料成形件界面結(jié)合性能測(cè)試結(jié)果

在拉伸應(yīng)力作用下，對(duì)多材料界面進(jìn)行了五組斷裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖5，發(fā)現(xiàn)只有一組試件在多材料界面處斷裂。表明多材料界面結(jié)合質(zhì)量良好，多材料結(jié)合處抗拉能力較強(qiáng)。

圖5 多材料界面在拉伸應(yīng)力作用下的斷裂

在剪切應(yīng)力作用下，對(duì)多材料界面進(jìn)行了五組斷裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6，發(fā)現(xiàn)全部試件都在拉應(yīng)力最大的位置被拉斷，而不是從設(shè)計(jì)的剪切面處剪斷。表明多材料結(jié)合面結(jié)合質(zhì)量良好，多材料結(jié)合處的抗剪切能力較強(qiáng)。

圖6 多材料界面在剪切應(yīng)力作用下的斷裂

多材料成形件界面結(jié)合性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可說(shuō)明，本文所采用的多材料加工方式并未明顯影響兩種材料間的結(jié)合強(qiáng)度，界面結(jié)合性能取決于兩種光固化樹(shù)脂材料本身的性質(zhì)。然而，上述兩種測(cè)試結(jié)果仍不足以描述界面結(jié)合的情況，還需對(duì)所用材料和模型做進(jìn)一步的測(cè)試。

3.4 加工存在的問(wèn)題及改進(jìn)

在加工中發(fā)現(xiàn)，一次加工的零件越多、截面積越大，最終材料間的相互污染就越嚴(yán)重（圖7a）。分析原因：清洗功能尚不完善。在清洗過(guò)程中，清洗液的作用較小，而清洗海綿自身的清潔能力有限，在多次清洗后，清洗海綿本身會(huì)成為污染源。因此，打印槽的清洗功能有待完善。

由于工作臺(tái)與樹(shù)脂槽底面的平行度較差，在加工固化厚度較小的材料時(shí)易發(fā)生工作臺(tái)一側(cè)的固化層無(wú)法粘接到工作臺(tái)底面的情況（圖7b）。因此，應(yīng)加入球鉸鏈調(diào)平機(jī)構(gòu)，使工作臺(tái)與樹(shù)脂槽底面達(dá)到較高的平行度。

圖7 加工過(guò)程中存在的問(wèn)題

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了分區(qū)旋轉(zhuǎn)槽多材料面曝光增材制造系統(tǒng)，并利用兩種光固化樹(shù)脂材料完成了不同種類的多材料零件打印，主要為層內(nèi)多材料零件及層內(nèi)、層間混合多材料零件。通過(guò)設(shè)計(jì)拉伸試驗(yàn)，對(duì)多材料界面結(jié)合的抗拉、抗剪性能進(jìn)行了測(cè)試，在拉伸應(yīng)力作用下進(jìn)行的斷裂實(shí)驗(yàn)中，只有一組試件在多材料界面處發(fā)生斷裂，而在剪切應(yīng)力作用下進(jìn)行的斷裂實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有出現(xiàn)在剪切面被破壞的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文采用的多材料加工方式可加工出界面結(jié)合性能良好的零件。

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