數(shù)字化光處理立體成型技術(shù)中吸附力的影響機制1)

范徐瑜 梁海弋,?,

*(中國科學技術(shù)大學近代力學系,合肥 230027)

? (中國科學技術(shù)大學先進技術(shù)研究院?安徽春谷增材制造聯(lián)合實驗室,合肥 230088)

引言

增材制造是一項具有革命意義的新興制造技術(shù),被譽為決定未來經(jīng)濟的十二大顛覆技術(shù)之一[1],在工業(yè)界與學術(shù)界有廣泛的應用前景,如生物醫(yī)療[2-5]、航天航空[6-7]、機器人技術(shù)[8-9]、智能傳感器[10-11]、結(jié)構(gòu)設計[12-13]以及微流控芯片[14-15]等.數(shù)字化光處理(digital light processing,DLP)立體成型技術(shù)是樹脂光固化增材制造最重要的一類成型方式之一,與其他方式相比,其具有較高的成型速度與成型精度[16-17].DLP 成型利用自由基光聚合的原理,通過逐面曝光、固化、分離再填充的往復循環(huán)過程,層層累加最后形成三維實體,實現(xiàn)由面至體的成型過程.Tumbleston 等[18]基于DLP 成型原理提出了CLIP 技術(shù),采用高透氧的特氟龍膜(Teflon AF 2400)作為樹脂槽底的透明窗口,利用氧阻聚的原理,使已固化成型部分與窗口之間保持一層厚度達數(shù)十微米的未固化液膜薄層(dead zone),從而避免了固化層與窗口的黏連,實現(xiàn)了高速連續(xù)固化成型,將打印速度進一步提高到每小時百毫米,其原理如圖1(a)所示.然而,由于高黏度的樹脂導致的液膜薄層的巨大吸附力限制了成型速度的進一步提高,強行提高速度后液膜將出現(xiàn)空泡并發(fā)生破裂,導致樣品缺陷甚至引起打印失敗[19-20].

圖1 (a) DLP 成型原理和(b)多物理場模型Fig.1 Schematic diagram of (a) DLP 3D printer and (b) multiphysical model

為了提高DLP 光固化成型速度,國內(nèi)外學者從樹脂槽成型窗口和打印工藝等方面做了大量研究與改進.Wu 等[21]受豬籠草啟發(fā)對PDMS 膜進行表面處理,獲得了超潤滑表面并以此作為透明窗口,降低吸附力從而提高了成型速度至360 mm/h.Walker等[22]利用高速流動的油層將透明窗口與樹脂固化區(qū)域分隔開,極大地降低了吸附力,實現(xiàn)了430 mm/h的固化成型速度.目前多數(shù)研究集中于試驗層面,僅有少量研究從仿真的角度對DLP 成型過程進行了機理分析.Wang 等[23]搭建了粗粒度分子動力學模型用于模擬CLIP 成型過程,研究了對打印物體成型質(zhì)量的影響因素,發(fā)現(xiàn)打印物體的成型形狀將由單體交聯(lián)密度、毛細管力及摩擦力的相互作用共同決定.Taki 等[24]通過建立了一個考慮自由基聚合反應與氧氣分子擴散的成型過程數(shù)值模型,發(fā)現(xiàn)垂直提升速度及樹脂中光強的衰減程度將影響樹脂的交聯(lián)密度和成型精度.該模型考慮了連續(xù)固化的相變過程,但沒有考慮樹脂流動的影響.Wang 等[25]忽略了光聚合反應過程,將死區(qū)簡單的考慮為平板間的流體運動,模擬了固化截面尺寸、提升速度等因素的影響.上述研究中的模型較為簡化,沒有全面考慮DLP 固化成型中的關(guān)鍵因素的影響,因而未能揭示液膜薄層區(qū)吸附力的物理機制.

本文針對DLP 成型過程中的自由基光聚合反應、樹脂固化相變以及樹脂流動等物理過程,搭建了多物理場仿真模型并進行數(shù)值求解,研究了DLP打印成型區(qū)的演化過程,對固?液界面形貌及吸附力大小的影響因素進行了模擬分析,并提出了降低吸附力、提高打印速度的改進措施,以期為DLP 技術(shù)的工藝改進與工程應用提供參考.

1 多物理場模型建立

為了便于研究,本文以打印半徑為R的實心圓柱形狀樣品為例,結(jié)合DLP 打印的成型原理與工作過程,構(gòu)建如圖1(b)所示的二維軸對稱(r,θ,z)簡化模型.整個模型主要針對液膜及緊鄰其上方的一部分已固化樹脂區(qū)域,圓柱樣品中心軸線與z軸重合,固相區(qū)域以恒定速度V0向上提升.模型的高度為H0,半徑為R0,受到由下往上的光強分布為I(z,r)的恒定紫外光照射,固化區(qū)域的尺寸即取決于光照范圍(要求紫外光照射區(qū)域半徑R

1.1 自由基光聚合反應動力學及物質(zhì)傳遞

本文采用經(jīng)典的自由基光聚合反應模型,主要包括鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止等過程,具體表示為表1 所示的5 個步驟[26-29].首先,在紫外光(UV)的作用下誘導光引發(fā)劑(PI)由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài),進而分解產(chǎn)生初級自由基(R˙),如步驟1 所示.初級自由基()進一步進攻體系中的不飽和單體(M)產(chǎn)生單體自由基(),如步驟2 所示.單體自由基()繼續(xù)與單體(M)作用形成新的鏈自由基(),引起分子鏈持續(xù)增長,交聯(lián)密度增大,如步驟3 所示,鏈增長速率常數(shù)為kp.最后,鏈自由基之間相互反應導致鏈增長終止(步驟4),終止速率常數(shù)為kt.此外,氧氣能與自由基反應形成類似于過氧化物的中間體(RMnOO),抑制其進一步參與聚合反應(步驟5),反應速率常數(shù)為kO.

表1 自由基光聚合反應動力學模型Table 1 Reaction scheme and kinetic model of free radical photopolymerization

鑒于光引發(fā)劑、單體、自由基等物質(zhì)在樹脂中的擴散速率較慢,遠小于氧氣,因此忽略其分子擴散過程,而只考慮對流傳質(zhì)過程.初級自由基的生成速率Ri與對紫外光的吸收率相關(guān),可表示為

式中,φ為量子產(chǎn)率,ε為摩爾吸光系數(shù),[PI]為光引發(fā)劑的濃度.考慮光強分布在樹脂中沿軸線方向的衰減過程,根據(jù)朗伯?比爾定律(Beer-Lambert Law)可得

式中,I0(r) 為樹脂下表面所受到的入射光光強,其沿r方向的分布范圍等于擬打印樣品的半徑R,即r≤R時,I0(r)=I0;r>R時,I0(r)=0.

式(3)～式(6)中,只考慮氧氣的分子擴散過程,其擴散系數(shù)為DO.[PI],[],[M],[O2]分別為PI,,M,O2的物質(zhì)的量濃度,u表示對流速度矢量.式(3)～式(5)中等號左側(cè)第二項為對流項,與流場分布相關(guān);等號右側(cè)為反應項,對應于表1 中的5 個反應步驟.而式(6)中除了包括上述二者,還含有擴散項 ? ?(DO?[O2]).

1.2 相分布

隨著聚合反應過程的進行,光敏樹脂的黏度將隨交聯(lián)密度的增大而急劇上升,由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)[30].常用雙鍵的轉(zhuǎn)化度α來衡量單體分子的交聯(lián)密度,此處可通過單體消耗分數(shù)來近似表達,定義為

當轉(zhuǎn)化度α低于臨界值αc時,樹脂為液態(tài);超過αc時則轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài).通過使用階躍函數(shù)H(x)實現(xiàn)對相分布的捕捉

其中λ為相分數(shù).當轉(zhuǎn)化度靠近臨界值時,λ從1 (液態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)? (固態(tài)).由于數(shù)值突變會引起計算的不穩(wěn)定性,并且固?液轉(zhuǎn)變區(qū)域即糊狀區(qū)本應存在厚度,因此需對其進行光滑過渡,常采用誤差函數(shù)進行處理[31].此處為了方便,直接借助COMSOL 內(nèi)置的光滑階躍函數(shù)flc2hs(x,d),該函數(shù)能滿足具有連續(xù)的二階導數(shù)[32].從而式(8)進一步表示為

式中,Δα表示過渡段寬度值,通過對比分析不同取值下的結(jié)果差異,綜合實際模型需要,最終采用Δα=0.05.為了便于后文分析,此處定義氧氣濃度分數(shù)θ以衡量氧濃度變化

式中,[M]0和[O2]0分別為單體與氧氣的初始物質(zhì)的量濃度.

1.3 樹脂流動及相變過程

液相區(qū)域樹脂的運動可視作不可壓縮牛頓流體的層流流動,而固相區(qū)域為已成型部分,將隨提升平臺以恒定速度V0沿z軸正向運動.為同時實現(xiàn)樹脂在兩種狀態(tài)下的運動,并同時捕獲其相變過程,在N-S 方程中加入體力項S.由于液膜區(qū)域極薄(通常小于100 μm),重力引起的壓強變化將遠小于膜內(nèi)壓力分布,因此忽略重力,可得[33]

及不可壓縮流體連續(xù)性方程

式中,u為速度矢量,p為壓力,V為固相區(qū)域的速度矢量,ρ為樹脂密度,μ為動力黏度.在實際成型過程中,隨著單體的轉(zhuǎn)化度的上升,液態(tài)樹脂的黏度、密度等性質(zhì)也會隨之改變.但由于本文重點研究的區(qū)域為極薄的樹脂液膜層,其由氧氣對反應的抑制作用而產(chǎn)生,并且液膜內(nèi)的單體幾乎不被消耗,轉(zhuǎn)化度為0 (見后文分析),因此液態(tài)樹脂的黏度、密度等在膜內(nèi)分布均勻,故此處將其視作常數(shù).函數(shù)A的值隨著液相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔喽鴱? 增大至較大值:當λ=1 時,樹脂呈液相,A=0,式(11)即與S項無關(guān);當λ=0 時,樹脂呈固相,A為較大值,為平衡式(11)的左右兩側(cè),則需u=V,即以恒定速度V0向z軸正向運動.其中,q取較小常數(shù)以避免分母為0;C為一任意的較大常數(shù)以滿足A取得較大值,通常應根據(jù)模型具體需要選用不同的取值,當取值過小時會導致固相區(qū)域不能按照預設方向運動而違背實際物理過程,過大時則會導致數(shù)值計算出現(xiàn)收斂性問題.在反復計算測試之后,發(fā)現(xiàn)當C=1.2×1010kg/(m3?s),q=10×10?4時能較好的符合實際物理過程,并獲得最優(yōu)的計算效果.

1.4 邊界條件及收斂性分析

液膜區(qū)域上方為固相,速度由S項中參數(shù)V指定,下邊界為固定壁面,采用無滑移邊界條件,而外界液體與大氣相通,邊界處相對壓力設為零,初始時刻速度為0,為靜水狀態(tài)

整個模型區(qū)域樹脂受到恒定的紫外光照射,下邊界通過透氧膜與外界氧氣接觸,保持恒定氧濃度.由于樹脂槽中的樹脂暴露于環(huán)境中,假定其所含氧氣的初始平衡濃度值與外界相同,均為[O2]0.右邊界與樹脂槽內(nèi)未曝光的樹脂相通,各物質(zhì)濃度均保持初始值平衡值,上邊界采用無通量邊界條件,即

式中,[PI]0為光引發(fā)劑初始濃度.與仿真模型相關(guān)的各參數(shù)取值如表2 所示.

表2 仿真參數(shù)Table 2 Parameters used in this study

本文搭建的模型形狀為規(guī)則的矩形,因此為了減少網(wǎng)格數(shù)量并提高計算效率,均采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分.由于曝光區(qū)域邊界位置變化梯度大,因此對右邊界進行局部加密;考慮下邊界為壁面,同時存在由液相至固相的過渡,因此對該處也進行加密處理.經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證,采用270 000 個單元的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行計算分析,具體劃分為nr×nz=450×600,最小單元尺寸0.09 μm.

上述物理模型通過商業(yè)有限元軟件COMSOL Multiphysics 5.4 進行建模,采用瞬態(tài)求解器進行隱式求解,計算時長設置為8 s,整個模擬過程可概述為:

(1)初始時刻均為液態(tài),流體靜止;

(2)受到紫外光照射,氧氣開始消耗,單體開始轉(zhuǎn)化,逐漸由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài);

(3)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的區(qū)域開始以恒定速度向上提升,未固化液體被不斷填充至空缺部位,并持續(xù)反應,最終達到穩(wěn)定狀態(tài).

2 仿真結(jié)果

以上模型用來模擬DLP 打印成型過程,至8 s時可視作流場達到穩(wěn)定,該時刻固化區(qū)域的單體轉(zhuǎn)化度分布以及速度矢量圖如圖2(a)所示.灰色實線為臨界轉(zhuǎn)化度αc等值線,根據(jù)前文描述此處可將其定義為固?液界面,呈現(xiàn)出穩(wěn)定的非均勻波浪衰減形貌,液膜厚度極小且在邊界處波動劇烈,致使液膜區(qū)域出現(xiàn)狹縫段,由外至內(nèi)呈現(xiàn)緊縮的特征.灰色實線以上的區(qū)域單體轉(zhuǎn)化度較高,表現(xiàn)為固相,以恒定速度V0向z軸正向運動;其余區(qū)域為液相,液態(tài)樹脂從液膜外部逐漸流動并填充至液膜內(nèi)部,流經(jīng)狹縫段時流速劇增,如圖2(b)所示.

圖2 仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result

以往研究中針對DLP 成型過程中吸附力的預測模型與經(jīng)驗公式基本都是基于逐層固化過程進行推導的[19,39-40],即忽略固化時樹脂的流動,將提升過程近似簡化為中間充滿黏性液體的極窄間隙的兩平板的勻速分離,吸附力Fs可近似表示為[41-42]

式中,p為壓力,R為圓柱樣品半徑,h為液膜厚度,且滿足h?R.

仿真結(jié)果表明,DLP 連續(xù)成型過程中固?液界面的形貌并不是均勻的平面,與以往研究中的假設存在差異.為了探究固?液界面形貌的不同而導致壓力分布的變化,本文對DLP 成型過程中液膜區(qū)域壓力分布進行了分析,如圖2(c)所示.緊縮段沿徑向的壓力梯度大,變化劇烈,其余位置壓力的徑向變化趨勢相對平緩,液膜邊界壓力接近于外界大氣壓,越靠近軸線處壓力值越大.由式(17)可知,對于兩圓形平板的勻速分離過程,其間液體的壓力及吸附力均與間隙厚度h的三次方成倒數(shù)關(guān)系,即隨著h的降低,壓力與吸附力將急劇上升.而在本模型中,由于緊縮區(qū)域液膜厚度h小于其余區(qū)域,從而導致該處流動阻力較大,沿徑向的壓力梯度遠高于其余位置.

由于固?液界面形貌較為復雜,為定量分析液膜整體厚度的變化及影響情況,定義等效厚度h3(即圖2(c)中黃色虛線與下邊界之間的距離),使其滿足式(17),等效于兩平板的分離過程,即F=Fs.其中,F為本模型所得的吸附力大小,可通過模型下邊界Ω處的壓力積分近似表示[39].同時,選取兩處關(guān)鍵位置:中心軸線(Ⅰ)及狹縫區(qū)域最薄點(Ⅱ),如圖2(c)中橙色箭頭所示,將其液膜厚度分別定義為h1和h2.

圖3 為提升速度V0分別為0.025,0.0425 和0.05 mm/s 3 種情況下,模型下邊界Ω表面及其對應等效過程沿徑向的壓力分布.在保持總吸附力相同時,DLP 成型過程的徑向壓力分布完全不同于已有研究所采用的近似簡化模型.簡化模型將該過程視作兩平板的勻速分離,壓力分布沒有出現(xiàn)突變,其大小與r2成線性關(guān)系.而本文構(gòu)建的模型,因存在狹縫區(qū)域而導致的壓力出現(xiàn)突增,且隨著速度的增大,突增區(qū)域徑向壓力梯度增大,壓力增量增大,與以往研究中所作假設的差異進一步加大.這是由于在速度較高的情況下,隨著速度的增大,h2逐漸降低,而h1隨之增大,液膜厚度的不均勻性增大(見后文分析).因此,為進一步分析DLP 成型過程中吸附力的影響機制,應主要針對不同因素對固?液界面形貌的影響情況.

圖3 徑向壓力分布Fig.3 Radial distribution of pressure

3 分析與討論

3.1 成型區(qū)液膜的演化過程

固?液界面的形貌及液膜厚度會直接影響吸附力的大小,為探究對吸附力的影響機制,首先對成型區(qū)液膜的演化過程進行分析.圖4 為1.5 s,2.5 s,3.5 s,5 s 及8 s 時刻成型區(qū)域的單體轉(zhuǎn)化度分布和氧氣濃度分布,其中白色箭頭與紅色箭頭分別表示對應物質(zhì)的對流通量與擴散通量.在本模型中未考慮單體的分子擴散,因此圖4(a)中僅出現(xiàn)對流通量.由于當單體轉(zhuǎn)化度超過臨界值αc后即視為固態(tài)(圖4(a)中紅色區(qū)域),不是本文研究的重點,故只考慮低轉(zhuǎn)化度部分(α<0.12).

Dendukuri 等[27]研究表明,自由基聚合反應過程中,當氧氣含量消耗至低于臨界值θc(趨近于0)后,單體才開始反應.將液膜區(qū)域氧氣濃度高于臨界值θc的部分定義為抑制層,低于θc的部分定義為反應層,液膜將主要受抑制層厚度的影響.如圖4(a)所示,液相區(qū)域單體轉(zhuǎn)化度總體趨近于0,而在貼近固?液界面位置出現(xiàn)一段極窄的過渡區(qū)域(即反應層).白色實線表示氧濃度θ=0.01 的等值線,可見低氧濃度等值線與固?液界面近似重合(即抑制層與液膜近似重合).

圖4(b)為不同時刻氧氣的濃度分布及其擴散通量與對流通量的矢量圖,灰色實線表示固?液界面.由式(6)可知,氧氣濃度的變化由對流傳質(zhì)、分子擴散及反應消耗的共同作用導致.由于沿徑向流速較快,尺度相對較大,氧氣的傳遞以對流傳質(zhì)為主;而沿軸向流速較慢,尺度較小,分子擴散的作用效果得以體現(xiàn).

圖4 氧氣濃度及單體轉(zhuǎn)化度分布隨時間的變化Fig.4 Variation of the conversion fraction of monomer and oxygen concentration with time

整個過程經(jīng)歷了如圖4 所示的幾個階段:首先形成厚度均勻的液膜(1.5 s),隨后出現(xiàn)緊縮形貌(2.5 s)并產(chǎn)生狹縫區(qū)域(3.5 s),然后界面轉(zhuǎn)變?yōu)檠杆偎p的非均勻波浪形貌(5.0 s),最終達到穩(wěn)定狀態(tài)(8.0 s).氧氣濃度的升高引起液膜增厚,氧氣濃度降低則導致液膜變薄.該變化過程與氧氣的對流傳質(zhì)與分子擴散密切相關(guān),而對流傳質(zhì)過程受控于流場分布,固相的提升速度與固?液界面形貌的變化將影響流場分布,此外形貌的變化取決于氧氣的消耗與濃度分布情況.因此,對于DLP 成型過程,提升速度、外界氧氣濃度、光照強度及截面尺寸等因素都將對打印過程產(chǎn)生影響,進而引起固?液界面形貌的變化,并改變液膜區(qū)域的壓力分布與提升過程中的吸附力大小.

3.2 提升速度的影響

提升速度是DLP 成型過程非常關(guān)鍵的一項工藝參數(shù),與成型質(zhì)量、成型效率等有著密切的聯(lián)系.為了分析其對成型過程的具體影響,選取并對比了0.0125～ 0.05 mm/s 之間的不同提升速度,在20 mW/cm2光強、0.52 mol/m3氧濃度下,打印直徑900 μm實心圓柱樣品至穩(wěn)定狀態(tài)時,其固?液界面的形貌、液膜厚度及吸附力大小的變化情況,如圖5(a)與圖5(b)所示.

圖5(a)描繪了不同速度下的固?液界面形貌,可以看出,隨著提升速度的增大,液膜厚度的不均勻性增大,振幅增大,側(cè)面成型精度降低,狹縫段的位置逐漸向中心軸線移動.在液膜中心區(qū)域,氧氣主要通過沿軸向的分子擴散與沿軸向的對流傳質(zhì)進行物質(zhì)傳遞.分子擴散由濃度梯度驅(qū)動,軸線位置處速度的徑向分量為零,軸向分量隨提升速度V0的增大而增大,因此提高提升速度將引起該位置沿z軸正向的對流通量分量增大,導致氧濃度升高,使得液膜厚度增大,如圖5(b)中曲線h1所示,并且可以觀察到厚度與提升速度V0近似成線性關(guān)系.隨著V0的增大,液膜區(qū)域的流體徑向流速增大,引起液膜邊界區(qū)域氧氣對流通量增大,氧濃度升高,從而使液膜狹縫段向中心移動,液膜邊界增厚,側(cè)面成型精度降低.

由圖5(b) 曲線h2可見,液膜最薄點厚度隨著V0的增大存在先略微上升后降低的變化趨勢,這是因為不同的提升速度不僅會改變樹脂的填充速度,同時也會影響固?液界面的形貌,引起流場分布的變化.由圖5(b)曲線h3可知,等效厚度在提升速度較低時隨V0的增大而增大;在提升速度較高時隨V0的增大而減小.由式(17)可知,對于兩平板的分離過程,吸附力與提升速度成線性關(guān)系;而對于DLP成型在高速打印過程中,隨著提升速度的增大,h2逐漸減小,并導致等效厚度h3的降低,使吸附力急劇增加,如圖5(b)曲線F所示.因此,改變提升速度一方面會直接影響吸附力的大小,另一方面會因為改變固?液界面形貌而間接導致吸附力的變化.

圖5 固?液界面形貌及吸附力的影響因素Fig.5 Influence factors of profiles of solid-liquid interface and suction force

3.3 氧氣濃度與光強的影響

氧氣濃度與紫外光光強在聚合反應中具有重要的作用,將顯著的影響反應速率與交聯(lián)密度.圖5(c)與圖5(d)描述了在20 mW/cm2光強下,以0.05 mm/s的提升速度,打印直徑900 μm 實心圓柱樣品時,其固?液界面形貌、液膜厚度與吸附力大小隨不同外界氧氣濃度[O2]0的變化情況.隨著外界氧氣濃度的增大,擴散進入樹脂的氧含量增大,抑制層增厚,總體液膜厚度增大,吸附力得到大幅度下降.但由于打印過程中由液膜外界通過對流進入液膜區(qū)域的樹脂氧含量也相應提高,從而嚴重影響了成型精度.

圖5(e)和圖5(f)描述了以0.05 mm/s 的提升速度在0.52 mol/m3外界氧氣濃度的條件下,分別以不同的光強進行打印時固?液界面形貌、液膜厚度與吸附力大小的變化情況.可見,降低光強同樣能增大液膜整體厚度,降低吸附力,但同時也將嚴重影響成型精度.這是由于降低光強引起自由基的生成速率降低,鏈引發(fā)、鏈增長、鏈終止以及氧氣抑制的反應速率均下降,進而導致固化區(qū)域氧氣含量增大,液膜增厚.

不同的樣品尺寸、截面形狀等參數(shù)也會對成型過程中的固?液界面形貌及吸附力等產(chǎn)生影響,但其取決于打印樣品的具體應用需求,不受工藝過程調(diào)控.此外,光引發(fā)劑的含量、鏈增長速率常數(shù)、鏈終止速率常數(shù)等同樣也會影響成型過程,但其由樹脂的材料成分與性質(zhì)所控制,不在本文研究范圍,對于以上因素均不做進一步分析.

3.4 吸附力的降低措施

通過調(diào)節(jié)前文所述的各項參數(shù)均能實現(xiàn)對成型過程的調(diào)控以降低吸附力.但由于提高提升速度是工業(yè)應用中的一個重要目標,不能隨意調(diào)節(jié);而氧含量的精確控制也難以實現(xiàn).因此本節(jié)內(nèi)容提供一種通過控制光強以降低吸附力的思路.

液膜區(qū)域的狹縫段增大了樹脂流動阻力,是導致過大吸附力出現(xiàn)的關(guān)鍵因素.通過整體降低光強的方式能有效增大液膜厚度,但會顯著影響成型精度.因此此處通過調(diào)整光強分布,針對性地降低狹縫區(qū)域的入射光強,嘗試提高狹縫區(qū)域的厚度以降低吸附力.

為驗證該方法的有效性,基于前文所述模型,將均勻分布的入射光強改變?yōu)椴痪鶆蚍植?狹縫區(qū)域分布范圍為0.51

圖6 成型過程的改進措施及效果Fig.6 Improvement measures and results

當選定區(qū)域光強衰減0.875 倍時,最薄處液膜厚度提高了55%,并且中心軸線位置壓力值降低了60%,吸附力降低了68%.因此,通過采用不均勻光強照射,能有效降低吸附力,提高成型速度.

4 結(jié)論

通過搭建耦合了自由基光聚合反應動力學、固?液相變及流體流動的多物理場模型,采用已有文獻中的材料屬性,研究了DLP 成型過程的物理機理,分析了成型區(qū)樹脂液膜在傳質(zhì)、光聚合、固化沉積、氧阻聚等共同作用下的演化過程,討論了打印速度、氧氣濃度分布、紫外光強等因素對固?液界面形貌以及吸附力的影響,同時還提出了一種通過調(diào)整光強分布降低吸附力的有效措施,對研究不同類型的樹脂光固化增材制造技術(shù)具有重要的借鑒意義,主要結(jié)論如下:

(1) 發(fā)現(xiàn)固?液界面呈現(xiàn)出穩(wěn)定的非均勻波浪衰減形貌,液膜厚度極小且在邊界處波動劇烈,致使壓力沿徑向出現(xiàn)階躍式的劇增,這不同于以往研究中的均勻界面假設.

(2) 成型區(qū)樹脂液膜的演化與氧氣的濃度分布及對流傳質(zhì)與分子擴散過程密切相關(guān),其厚度分布取決于氧氣抑制層厚度分布.

(3) 提升速度、外界氧氣濃度及入射光強均會對成型過程產(chǎn)生影響.在高速打印過程中,提高打印速度能引起等效厚度的下降,導致吸附力急劇上升;提高外界氧濃度、降低光照強度均能有效降低吸附力,但會顯著影響成型精度.

(4) 通過針對性的減弱狹縫段的光照強度能有效的降低吸附力,改善固?液界面形貌的不均勻性,提高打印速度.

本文從仿真的角度對DLP 成型過程吸附力的產(chǎn)生與影響機制進行了較為深入的分析,但缺乏定量的實驗驗證,仍需進一步開展實驗方面的研究.此外,雖然提出了一種降低吸附力并提高打印速度有效措施,但僅僅是提供了一種解決思路,仍需進一步的實驗驗證與更深入、更系統(tǒng)的量化研究.