基于面曝光的快速成型技术

作者：西安交通大学 王伊卿

欢迎访问e展厅 展厅 5 三维打印机展厅 三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ... 快速成形技术以其加工速度快、成本低，广泛应用于产品开发阶段的模型制作。目前已形成多种不同的快速成形工艺，其中面曝光快速成型技术发展迅猛，助力推动快速成型行业的革新与完善。 面曝光快速成型技术有望得到更快的成型速度，并且有可能使快速成型设备结构和工艺更加简单化，是快速成型技术重要的发展方向。特别是2005年以来，重要的图形发生器件DMD的诞生和逐渐完善，面曝光快速成型技术越来越受到人们的广泛关注。但面曝光快速成型技术目前还处于发展的阶段，成熟的产品还不是很多，对该技术加以介绍分析，有助于面曝光快速成型技术的发展和推广。 面曝光快速成型技术原理 面曝光快速成型工艺可简单描述如下，运用各种技术形成需要固化的片层数据图形，采用紫外光源，使紫外光图形成像在树脂液面上，一次曝光固化一个层面的实体，固化过程中，采取各种工艺措施控制层面实体的变形，逐层累加形成整个实体。 面曝光快速成型的关键技术之一是生成图形动态掩膜(Dynamic Mask)，图形掩膜的生成方式有多种，早期的是利用静电复印技术原理，在玻璃底版上生成图形掩膜。目前，比较典型的图形生成工艺是液晶显示技术(Liquid Crystal Display, LCD) 和数字投影技术(Digital Light Processing，DLP)。通过以上面曝光快速成形过程分析可以看出，面曝光快速成型技术具有以下特点： (1) 面曝光工艺减少了扫描固化时的路径规划、焦点变动等问题，和扫描固化相比有明显的速度优势，成形速度与成形面积无关，只与层数有关； (2) 面曝光过程中，成形面积随投影距离而变化，而分辨率不变，可在较小面积上实现精细加工。 (3) 面曝光工艺中，树脂发生液态到固态的相变时，体积发生变化，翘曲变形现象比较突出。 面曝光快速成型技术研究现状 面曝光快速成型与扫描式快速成型基本上是同步提出的光固化成型技术，但由于掩膜形成工艺的制约，该技术发展明显滞后于扫描式光固化。随着近年来微光学元件技术的发展，如LCD、DMD等技术的出现、成熟，面曝光快速成型技术也逐渐得到发展。尽管该技术克服了扫描式固化的很多缺点，但同时也带来了变形、难以大面积曝光成型等新问题，对光源和树脂也提出了更高的要求，很多基于面曝光快速成型技术的设想还处于实验阶段。 目前，以色列的Cubital、德国的EnvisionTec公司，已经有相应的产品问世，而在实验室中的研究多集中在利用其高分辨率的特点制造微小件。下面对其中比较典型的几种技术做介绍。 1. 复印固化成型技术 以色列的Cubital公司在1995年左右推出一种面曝光快速成形设备，Solider 4600，它采用了一种名为复印固化成形(Solid Ground Curing，SGC)技术，是一种以面成形为特征的成形方法。 其成形过程分为形成掩膜和制作实体两个步骤，主要过程可描述为：①形成掩膜。电子成像系统先在一块特殊玻璃板上高压充电，使其一侧表面带静电，然后通过离子谱印刷(Ionographic printing) 技术根据数字图形有选择性地用喷射离子流去除与截面形状相一致区域的静电，剩下的就是与截面形状相反的静电潜像，再吸附上石墨粉完成掩膜的形成。完成一个层面的曝光固化后，擦除玻璃板上的静电和石墨粉，开始准备生成下一层掩膜。②制作实体。用强紫外灯透过当前层的掩膜对光敏树脂进行曝光固化，完全固化后，清除不需要固化部分的液态树脂，充以液态石蜡，用冷却板强制石蜡快速冷却，对整个固化层面研磨整平，完成一层实体的加工，重复以上加工过程完成整个实体的加工。最终作为支撑的石蜡可通过热水洗掉。 该技术的主要特点是固化速度快，但由于每层固化后的处理较麻烦，因此总的加工时间与一般的SL方法相差无几。但采用并行加工的方式，一次在加工仓里加工多个零件，可显著提高总体加工速度。 2. LCD掩膜快速成形系统研究 液晶显示技术LCD是利用液晶在通断电时，分子排列会发生改变的特性，允许或者阻止光线通过。液晶显示器是由两个刻有相互垂直细槽的面板组成，两面板中间灌注液晶，通电时液晶分子排列发生变化使光线扭曲而通过，断电时分子排列回归，光线直射而不能通过，从而产生我们所需要的图形，形成快速成型的掩膜。采用液晶LCD技术形成掩膜，再经过紫外灯的照射而固化实体的技术在国外研究开始得比较早，并且由于LCD液晶分子较好的可控性，成为形成掩膜的较好的器件。世界上有多家机构对此进行研究，特别是利用其高分辨率的特点，在微光固化(Microstereolithography)领域里有较广泛的研究和应用。 瑞士联邦技术研究所的Arnaud Bertsch等人利用LCD生成动态模版(Dynamic Pattern)，对尺寸在几毫米的微小件的成型工艺进行了研究。采用紫外光作光源，在动态模版上形成实体的片层轮廓，当平面光照射到LCD上时，可按照模版上的图形选择性地通过，再通过聚焦透镜组，将光束缩小到树脂液面处，即可一次性固化一层树脂。 由于成形件的尺寸和较薄层厚（5~20μm），曝光固化成形较为容易，（曝光1s即可固化），同时无需过多考虑变形问题，但又给涂覆系统提出了新的要求。他们采取的方式是使其自由流平，这一方面会延长成形时间（等待流平时间大约为15~16s），另一方面又会影响水平和垂直精度。在支撑方面，由于制件较小，不可能手工去除，因此就不能添加支撑，只能在数据方面作相应的处理。但通过对比实验，该技术加工的零件精度与一般的SL设备相比较高，显示出该技术在处理较小件时的高分辨率优势。 由于LCD液晶可以做到较大的面积，平行面光源直接照射就可固化得到尺寸较大的零件，而且缩小光束固化微小零件也更为简单。但其光开关对比度不高，对紫外光有较强的吸收，不能经受长时间的紫外光照射，老化严重，这些都制约着LCD掩膜快速成型系统的研究与发展。 3. DMD掩膜快速成形系统研究 DMD（Digital Micromirror Device，DMD）是数字投影DLP的核心器件，通过表面微镜的反射产生图形，在14×10mm2的DMD表面上密布了1024×768个小铝制反射镜片，铝制镜片可以在数字电路的控制下沿对角线偏摆±10°，通过控制它的偏摆方向，将需要成像部分的光束偏向成像装置，而不需要成像部分的光束偏向其余方向，即可实现在单个点光斑上光路的通断，于是在整个像面上就形成了光掩膜。 DMD对紫外光反射率高，控制灵敏，而且紫外光对铝制镜片没有损伤，与LCD掩膜相比，具有明显的优势。因此将DMD掩膜技术应用到快速成形领域，具有很大的发展潜力，各国的研究也比较多。 德国的EnvisionTec公司于2003年推出一种基于面曝光的快速成形设备，Perfactory。采用了DLP技术生成层面的轮廓掩膜。采用下照式的照射方式和较浅的树脂槽，使用透明石英玻璃板制造树脂槽底板，完成一个层面的固化后，电子开关关闭遮挡光路，升降台上升一个层厚的高度，同时通过剥离机构完成已固化层与石英玻璃板的分离，新的树脂液会由于毛细作用自动流入其间的空隙形成新的待固化层，更换下一层轮廓图片，打开电子开关，开始下一层的曝光固化。反复进行以上过程完成整个实体的固化。 该技术最大的特点在于涂敷树脂在曝光过程中，受到石英底板的约束，成功解决了翘曲变形问题，成形速度快，精度高，设备体积小，使用一般的高压紫外汞灯作光源，加工方式简单可靠，在加工较小件时，更能体现其高精度的特点。 面曝光快速成型技术的发展趋势 综上所述，面曝光快速成型技术的关键是图形掩膜的生成和树脂面曝光固化过程中的变形控制。面曝光快速成型掩膜生成技术主要有静电复印SGC、液晶显示LCD和数字投影DLP技术，静电复印SGC图形由于其掩膜生成中残留石墨积累造成的灰影现象，而没有进一步得到发展和推广。液晶显示LCD技术由于紫外光对LCD液晶有较强的分解破坏作用，不能够长时间照射，同时相对于DMD微镜片来说，液晶的像素尺寸较大，图形分辨率较低，因此基于液晶LCD的快速成型技术没有得到更为广泛的应用。 从目前的的研究结果可以看出，采用数字投影DLP与快速成型技术相结合的办法获得了较满意的结果，其核心器件DMD对紫外光有较高的反射率，控制灵敏，且紫外光对其没有损伤。随着DMD芯片向着更大面积、更高像素方向发展，以及更大功率紫外光源的生产，面曝光快速成型技术研究的外部条件日趋完善，而且对面成型的固化原理、变形机理、涂敷技术的研究也越来越深入，相信采用DLP技术生成掩膜的快速成型技术会逐渐成熟，成为面曝光快速成型发展的方向。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/26/2008)