用面曝光快速成形系統(tǒng)制作細(xì)微結(jié)構(gòu)*

巨孔亮　胥光申　邱榮華　羅　聲

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

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用面曝光快速成形系統(tǒng)制作細(xì)微結(jié)構(gòu)*

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(2011JG17)；陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015GY070)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(15JK1309)

巨孔亮胥光申邱榮華羅聲

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

為了證明面曝光快速成形系統(tǒng)具備制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力，利用自主開發(fā)的快速成形系統(tǒng)，制作出了壁厚為0.039 mm的蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)和槽寬為0.17 mm的狹縫結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該成形系統(tǒng)有較高的制作分辨率，具有制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力。

面曝光；快速成形；制作；細(xì)微結(jié)構(gòu)

微細(xì)快速成形技術(shù)是在傳統(tǒng)SL技術(shù)基礎(chǔ)之上，針對(duì)制作細(xì)微結(jié)構(gòu)零件而開發(fā)的一種新型快速成形技術(shù)，它能夠快速地制造出具有復(fù)雜內(nèi)腔或自由曲面的微小零件。同時(shí)，微細(xì)快速成形技術(shù)可將傳統(tǒng)SL成形精度提高到微米尺度，開拓了快速成形技術(shù)在組織工程領(lǐng)域的微型化應(yīng)用[1]。

隨著微型機(jī)械與產(chǎn)品商業(yè)化的迅速發(fā)展，小型化已成為工業(yè)產(chǎn)品的必然趨勢，其主要結(jié)構(gòu)零件的尺寸位于微尺寸與宏尺寸之間[2],具有細(xì)微的結(jié)構(gòu)特征(一般小于0.05 mm)。為了使成形零件的尺寸滿足微米尺度(0.1～1μm)與中間尺度(0.01～10 mm)的制造技術(shù)要求，國內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的研究，其中，X. Zhang等通過將掃描平面上的激光束光斑的直徑聚焦至微米尺度，提高了零件的制作分辨率，進(jìn)而制作細(xì)微結(jié)構(gòu)[3-4]；同時(shí)，Peter G，X. Zhang[5]等通過μSL成形工藝，可以制作出壁厚為10 μm的單壁蜂窩狀結(jié)構(gòu)；日本的名古屋大學(xué)在微米印刷技術(shù)(Microlithography)研究中，利用激光束穿透透明板精密聚焦成形，可以制造出5 μm×5 μm×3 μm的微小零件，如集成電路零件、靜脈閥等[6]。胥光申等[7]利用高分辨率快速成形系統(tǒng)進(jìn)行掃描平面內(nèi)實(shí)體細(xì)微結(jié)構(gòu)的制作，可以制作最小壁厚為0.011 mm的單壁蜂窩狀結(jié)構(gòu)與最窄槽寬為0.034 mm的狹縫結(jié)構(gòu)，表明了快速成形系統(tǒng)具備了制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力。但是，以上研究均是針對(duì)與它們相對(duì)應(yīng)的激光快速成形系統(tǒng)而制作細(xì)微結(jié)構(gòu)，本文是利用紫外光整層曝光的快速成形系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了不同壁厚的蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)和不同槽寬的槽狀結(jié)構(gòu)，通過制作試驗(yàn)，進(jìn)一步表明了面曝光快速成形系統(tǒng)具有制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力。

1　用于制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的成形系統(tǒng)

為了使成形零件的尺寸滿足中間尺度的制造技術(shù)要求，西安工程大學(xué)自主開發(fā)了用于小尺寸零件制作的面曝光快速成形系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括視圖發(fā)生器、光學(xué)系統(tǒng)、升降工作臺(tái)及控制系統(tǒng)等，其原理：零件的CAD模型經(jīng)自主開發(fā)的切層軟件分層處理后，將得到的數(shù)據(jù)保存為可以生成零件二維截面輪廓信息的視圖文件，由此文件控制視圖發(fā)生器，在光敏樹脂表面生成相應(yīng)的截面視圖并以其為掩模圖像，選擇性地固化一層層的光敏樹脂，形成相應(yīng)截面的輪廓薄片，并逐層堆積成三維坯件，然后進(jìn)行固化處理，得到最終的零件。

對(duì)于面曝光快速成形系統(tǒng)來說，既要具備制作薄壁結(jié)構(gòu)的能力，也要有制作狹縫結(jié)構(gòu)的能力，才能夠滿足現(xiàn)代化微型制造的需求。因此，通過制作實(shí)體細(xì)微結(jié)構(gòu)，考察了該系統(tǒng)所具有的制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力，為面曝光快速成形技術(shù)的微型化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2　細(xì)微結(jié)構(gòu)的三維模型

小尺寸零件在工作面內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)特征分為薄壁結(jié)構(gòu)特征和槽狀細(xì)微結(jié)構(gòu)特征(狹縫結(jié)構(gòu))[8]。圖2為利用SolidWorks建立的實(shí)體細(xì)微結(jié)構(gòu)三維模型，其中，圖2a是尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)，它是由一定壁厚的薄壁縱橫相交所形成的；圖2b是尺寸為20 mm×10 mm×1 mm的槽狀結(jié)構(gòu)，它是由不同寬度的狹縫縱向排列所形成的。

3　細(xì)微結(jié)構(gòu)的制作試驗(yàn)

為了驗(yàn)證面曝光快速成形系統(tǒng)在曝光平面內(nèi)制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力，通過該系統(tǒng)分別進(jìn)行了蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)與槽狀結(jié)構(gòu)的制作試驗(yàn)。

3.1蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)的制作試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)5組不同壁厚的薄壁結(jié)構(gòu)，其壁厚分別為：0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm、0.05 mm。

(2)試驗(yàn)方法：利用自主開發(fā)的面曝光快速成形機(jī)，對(duì)aidi-UV2230型光敏樹脂進(jìn)行薄壁固化試驗(yàn)。試驗(yàn)在室溫30 ℃、光敏樹脂溫度40 ℃和光輻照度為1.5 μW/cm2的條件下進(jìn)行，采用圖2a所示的模型為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磺袨?0層，分層厚度為0.1 mm。然后，通過面曝光快速成形系統(tǒng)進(jìn)行制作，最終得到蜂窩狀單壁制件。制作時(shí)，對(duì)制件底部的2層，曝光時(shí)間設(shè)置為120 s，以保證單壁結(jié)構(gòu)與黑色吸光紙片粘結(jié)可靠，其余的18層在曝光時(shí)間設(shè)置為60 s的條件下制作。利用小型工具顯微鏡對(duì)不同壁厚下所得薄壁的實(shí)際厚度測量3次，取其平均值，結(jié)果見表1。圖3是利用壁厚為0.01 mm模型制作出的蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)局部在電子顯微鏡X11-3下的照片。

表1不同壁厚制件的實(shí)際厚度

理論壁厚/mm實(shí)際壁厚/mm123平均值/mm0.050.0530.0500.0580.0540.040.0480.0450.0500.0480.030.0410.0460.0420.0430.020.0400.0380.0410.040.010.0410.0390.0380.039

(3)結(jié)果分析：由于視圖發(fā)生器的像素為1 024×768 pixel，而視圖平面的圖幅尺寸為40 mm×30 mm，即一個(gè)像素在工作面上的尺寸為0.039 mm，因此，理論壁厚0.01～0.05 mm所對(duì)應(yīng)圖像的像素被取整為一個(gè)像素，得到的實(shí)際壁厚為一個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的壁厚。同時(shí)，在固化時(shí)，由于曝光能量的疊加，使得每一個(gè)薄壁的實(shí)際壁厚比理論壁厚略大。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以制作出壁厚為0.039 mm的蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)，并且具有較高的制作精度。

3.2槽狀結(jié)構(gòu)的制作試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)：對(duì)面曝光快速成形系統(tǒng)制作槽狀細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了具有不同槽寬的制件，槽寬分別為： 1.0 mm、0.9 mm、0.8 mm、0.7 mm、0.6 mm、0.5 mm、0.4 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm。

(2)試驗(yàn)方法：試驗(yàn)在室溫10℃、光敏樹脂溫度40℃和光輻照度為1.5 μW/cm2的制作條件下，采用圖2b所示的模型為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磺袨?0層，分層厚度為0.1 mm。在曝光時(shí)間設(shè)置為60 s的條件下，通過面曝光快速成形系統(tǒng)的制作，得到如圖4所示的槽狀結(jié)構(gòu)制件。利用小型工具顯微鏡測量槽狀結(jié)構(gòu)制件的實(shí)際槽寬，測量3次，取其平均值，結(jié)果見表2。

表2槽狀結(jié)構(gòu)制件的實(shí)際槽寬

理論槽寬/mm實(shí)際槽寬/mm123平均值/mm誤差/mm1.00.9490.9520.9560.9520.0480.90.7940.7990.8130.8020.0980.80.7280.730.7750.7440.0560.70.6590.6670.6720.6660.0340.60.5120.50.5320.5150.0850.50.4170.4210.4380.4250.0750.40.3070.3140.3350.3190.0810.30.2390.2430.2520.2450.0550.20.1390.1430.2290.17(輕微堵塞)0.030.1完全被樹脂堵塞,如圖4所示,原因分析見(4)。

(3)結(jié)果分析：從表2可以看出，當(dāng)槽狀結(jié)構(gòu)的理論槽寬為0.2 mm時(shí)，試驗(yàn)的誤差值最小。同時(shí)，從圖4看出，左起第一個(gè)槽(理論槽寬：0.1 mm)已經(jīng)完全被樹脂堵塞；左起第二個(gè)槽(理論槽寬：0.2 mm)輕微地被堵塞，但利用電子顯微鏡X11-3可以觀察到局部細(xì)小的狹縫，見圖5。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以制作出槽寬為0.17 mm的狹縫結(jié)構(gòu)，并且具有較高的制作精度。

(4)分析槽狀結(jié)構(gòu)被堵塞的原因：楊劍等[9]研究了曝光能量與固化寬度之間的關(guān)系，表明固化寬度隨著曝光能量的增加而增大。由于紫外光通過光敏樹脂時(shí)存在折射現(xiàn)象，已固化部分附近有額外的紫外光通過，激發(fā)液態(tài)光敏樹脂的固化反應(yīng)，使得實(shí)際固化寬度增大，因此，當(dāng)槽狀寬度較小時(shí)，整個(gè)槽寬上的曝光能量疊加密集，使得槽寬上的全部樹脂被固化，進(jìn)而引起槽狀細(xì)微結(jié)構(gòu)被堵塞。

4　結(jié)語

通過制作蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)與槽狀結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果表明：面曝光快速成形系統(tǒng)具備制作細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力，并且可以制作出壁厚為0.039 mm的蜂窩狀單壁結(jié)構(gòu)和槽寬為0.17 mm的狹縫結(jié)構(gòu)。

[1]王廣春，袁圓，劉東旭.光固化快速成型技術(shù)的應(yīng)用及其進(jìn)展[J].航空制造技術(shù)，2011,16(6):26-29.

[2]王先逵.廣義制造論[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39(10)：86-94.

[3]胥光申，盧秉恒，趙萬華.高分辨率激光快速成形系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西安交通大學(xué)，2006.

[4]胥光申. 用于高精度小尺寸零件制作的光固化快速成型技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004,23(10): 1223-1225.

[5]Conrad P G, Zhang X. Functional molecularly imprinted polymer microstructures fabricated using microstereolithography[J]. Advanced Materials, 2003,15(18):1541-1544.

[6]劉偉軍．快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：2-13.

[7]胥光申，趙萬華，盧秉恒. 用高分辨率快速成形系統(tǒng)制作細(xì)微結(jié)構(gòu)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41(9): 82-85.

[8]Xu Guangshen, Zhao Wanhua,Tang Yiping, et al. Novel stereolithography system for small size objects[J]. Rapid Prototyping Journal, 2006, 12(1) :12-17.

[9]楊劍. 面曝光快速成形光固化實(shí)驗(yàn)研究[D]．西安:西安工程大學(xué)，2011.

(編輯汪藝)

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Fabrication of microstructures using mask exposal stereo lithography system

JU Kongliang, XU Guangshen, QIU Ronghua, LUO Sheng

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, CHN)

To demonstrate the mask exposal stereo lithography system has the ability to fabricate microstructures, components having vertical wall with the thickness of 0.039 mm and slot with the width of 0.17 mm are successfully fabricated by the self-developed system. The experimental results indicate that the resolution is higher than the ordinary SL system, and the mask exposal stereo lithography system has the ability to fabricate microstructures.

mask exposal; rapid prototyping; fabrication; microstructures

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.023

巨孔亮，男，1988年生，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榭焖俪尚渭夹g(shù)。

2015-12-15)

160732