基于全反射原理高精度光固化成型設(shè)備*

鄧旭秋，朱珊珊，楊 峰

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代裝備制造學(xué)院，江蘇 常州 213164）

數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)是增材制造（AM）的代表技術(shù)之一[1，2]。DLP 打印方式主要是通過圖案化紫外光的手段來逐層固化光敏樹脂，經(jīng)過層層固化累計(jì)后從而打印出立體模型[3，4]。光學(xué)引擎（紫外光成像系統(tǒng)）設(shè)置于光敏樹脂成型槽（液槽）的下方（或上方），通過光學(xué)（光路）設(shè)計(jì)，使其成像面正好位于液槽的底部（或光敏樹脂的上液面）。通過圖案化的紫外光照射光敏樹脂，光敏樹脂在吸收了足夠光子之后，光敏劑將能量轉(zhuǎn)移給光引發(fā)劑，引發(fā)光聚合成型，單次可固化一層特定厚度及形狀的光敏樹脂[5]。液槽固定在一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（絲杠）上，每次曝光完成后向上提升單層高度，使得當(dāng)前完成光固化的立體模型與液槽底面分離，通過逐層曝光的方式并層層疊加來完成三維實(shí)體的打印過程[6，7]。DLP 在復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)、高深寬比微納結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料三維微納結(jié)構(gòu)制造方面具有突出的潛能和優(yōu)勢：即設(shè)備簡單、成本低、可使用材料種類多和無需掩?；蚰＞咧苯映尚蝃8，9]。

目前常采用紫外光從下至上垂直照射在光敏樹脂上實(shí)現(xiàn)面光固化成型，此種設(shè)置的缺陷在于：因?yàn)楣饷魳渲谋砻鎻埩?，成型零件已固化的部位必然?huì)粘附殘留的光敏樹脂，如圖1 所示，當(dāng)紫外線入射光6 沿垂直方向通過作用點(diǎn)7 后，部分紫外光照射成型零件懸空結(jié)構(gòu)上殘留的光敏樹脂（特別是凹槽結(jié)構(gòu)），引發(fā)光固化成型，在零件表面固化滴狀物（圖1B）或封閉凹槽結(jié)構(gòu)（圖1A），經(jīng)過累計(jì)光照后，超過光敏樹脂的固定閾值，出現(xiàn)不受控的光固化現(xiàn)象。降低成型零件的表面質(zhì)量，影響成型零件的成型精度[10-12]。

本文基于全反射原理搭建了一套光固化成型設(shè)備，該光固化成型設(shè)備采用將光學(xué)引擎傾斜設(shè)置，使向液槽內(nèi)投射的紫外線入射光傾斜一定的角度，即投射向光敏樹脂入射光的入射角≥臨界角，利用在光敏樹脂上液面處發(fā)生全反射，從而避免有剩余紫外透過光敏樹脂，提高光固化成型的精度。其中，光敏樹脂相對(duì)于空氣屬于光密介質(zhì)，使紫外光在光敏樹脂的上液面處發(fā)生全反射，利用在光敏樹脂液面處的全反射從而避免有剩余紫外透過光敏樹脂。因?yàn)楣饷魳渲谋砻鎻埩?，?huì)有部分光敏樹脂殘留在成型零件已經(jīng)固化的部分，使剩余的紫外光與殘留的光敏樹脂不發(fā)生相互作用，使紫外光的固化作用控制在一定的范圍內(nèi)，提高對(duì)光固化過程的控制，達(dá)到提高打印精度的目的。

1 基于全反射原理的光固化成型設(shè)備設(shè)計(jì)

圖1 紫外光從下至上垂直投影光固化原理圖

圖2 基于全反射原理的光固化成型設(shè)備的原理圖

基于全反射原理的光固化成型設(shè)備的原理圖，如圖2 所示，該成型設(shè)備包括：液槽1，用于容納光敏樹脂5；液槽的槽底設(shè)有高透光率光學(xué)玻璃2，紫外透過底部光學(xué)玻璃照射在間隙的樹脂上；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（絲杠）3，用于固定液槽，所述運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位于液槽的上方；光學(xué)引擎用于投射出紫外入射光6，光學(xué)引擎系統(tǒng)設(shè)置在透光玻璃的下方，并且傾斜設(shè)置。使向液槽內(nèi)投射的紫外入射光傾斜，入射光穿過透光玻璃固化液槽內(nèi)的光敏樹脂。紫外光機(jī)系統(tǒng)輸出的入射光在光敏樹脂的液面上表面處產(chǎn)生全反射。即光學(xué)引擎投射的入射光6 從光敏樹脂射入到空氣中時(shí)，光敏樹脂與空氣相比較，屬于光密介質(zhì)?？梢允棺贤夤庠诠饷魳渲纳弦好嫣幇l(fā)生全反射，利用在光敏樹脂液面處的全反射從而避免有剩余紫外光透過光敏樹脂。光敏樹脂具有較大的表面張力，會(huì)使部分光敏樹脂吸附并殘留在已經(jīng)固化的成型零件上。通過紫外光發(fā)生全反射，使剩余的紫外光與殘留的光敏樹脂不發(fā)生相互作用，控制紫外光的固化范圍，提高對(duì)光固化過程的控制。圖2 中液位計(jì)9 的作用是控制液槽中光敏樹脂的液面高度，確保液槽中的樹脂保持最低液面高度且能得到迅速補(bǔ)充，精準(zhǔn)的控制全反射的發(fā)生位置。

本文搭建的光固化成型設(shè)備基于全反射原理，其打印工作流程如下：如圖2 所示，首先在液槽1 內(nèi)設(shè)置液面高度控制裝置9，用于控制液槽內(nèi)的光敏樹脂的液面高度，單次向液槽1 內(nèi)注入一定量的光敏樹脂，補(bǔ)給量與當(dāng)前待成型三維產(chǎn)品4 固化一層所需的光敏樹脂量相同。接著開啟光學(xué)引擎系統(tǒng)從下至上向液槽1 內(nèi)投射圖案化的紫外線入射光6，紫外線入射光6 與液槽傾斜成一定的角度（入射角≥臨界角），使位于液槽1 內(nèi)的單層層高內(nèi)的光敏樹脂待固化層固化。部分剩余紫外入射光7 在液態(tài)光敏樹脂的上液面處發(fā)生全反射，使剩余的紫外光與殘留的光敏樹脂不發(fā)生相互作用，控制紫外光的光固化作用范圍，提高光固化打印方式的打印精度。其中，液槽1 固定在一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（絲杠）3 上，每次曝光完成后向上提升固化單層的高度，使得當(dāng)前完成光固化的立體模型與液槽底面分離，再次由液面高度控制裝置9 實(shí)現(xiàn)向液槽1 內(nèi)補(bǔ)給下一層光固化所需的液態(tài)光敏樹脂，開啟新一層的打印過程，通過逐層曝光方式并層層疊加來完成三維實(shí)體的打印過程。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3 光固化成型零件

根據(jù)全反射原理設(shè)計(jì)的技術(shù)方案，搭建了光固化成型設(shè)備并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，光學(xué)引擎的紫外波長為385nm，光敏樹脂的吸收峰為360～380nm，取得了一些實(shí)驗(yàn)成果，如圖3 所示。從圖3a 成型零件上可以很清晰的看到上面的微流道，微流道的寬度為1mm，無堵塞現(xiàn)象，并且微流道內(nèi)腔非常光滑；圖3b 的成型零件十字方塊中間的縫隙的寬度為0.7mm，縫隙清晰可見，縫隙側(cè)壁非常光滑，沒有因?yàn)楣饷魳渲臍埩艄袒氯p隙；圖3c 是一個(gè)打印的肝臟形狀，透過光線，可以清晰的看見內(nèi)部的每一個(gè)微流道，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于全反射原理提高成型效果的光固化成型設(shè)備的成型精度非常高。

3 結(jié)論

本文解決了現(xiàn)有技術(shù)中的光固化成型設(shè)備中采用將紫外光垂直投射至光敏樹脂上，部分透過光敏樹脂的剩余紫外光對(duì)已打印完成的零件上所殘留的光敏樹脂產(chǎn)生固化作用，固化出額外的滴狀物，影響光固化成型方式打印精度的問題。搭建了一臺(tái)基于全反射原理的光固化成型設(shè)備，采用向液槽內(nèi)投射傾斜的紫外線入射光，提高光固化成型的打印精度。即投射向光敏樹脂入射光的入射角≥臨界角，利用在光敏樹脂上液面處的全反射，從而避免有剩余紫外光透過光敏樹脂。避免對(duì)待成型三維產(chǎn)品上已固化部分上殘留的光敏樹脂產(chǎn)生固化作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紫外光作用范圍的控制，加強(qiáng)對(duì)光固化打印方式過程的控制，提高了光固化零件的打印精度。