用面曝光快速成形系統制作細微結構*

巨孔亮　胥光申　邱榮華　羅　聲

(西安工程大學機電工程學院, 陜西 西安 710048)

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用面曝光快速成形系統制作細微結構*

陜西省教育廳產業化培育項目(2011JG17)；陜西省工業科技攻關項目(2015GY070)；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(15JK1309)

巨孔亮胥光申邱榮華羅聲

(西安工程大學機電工程學院, 陜西 西安 710048)

為了證明面曝光快速成形系統具備制作細微結構的能力，利用自主開發的快速成形系統，制作出了壁厚為0.039 mm的蜂窩狀單壁結構和槽寬為0.17 mm的狹縫結構。試驗結果表明，該成形系統有較高的制作分辨率，具有制作細微結構的能力。

面曝光；快速成形；制作；細微結構

微細快速成形技術是在傳統SL技術基礎之上，針對制作細微結構零件而開發的一種新型快速成形技術，它能夠快速地制造出具有復雜內腔或自由曲面的微小零件。同時，微細快速成形技術可將傳統SL成形精度提高到微米尺度，開拓了快速成形技術在組織工程領域的微型化應用[1]。

隨著微型機械與產品商業化的迅速發展，小型化已成為工業產品的必然趨勢，其主要結構零件的尺寸位于微尺寸與宏尺寸之間[2],具有細微的結構特征(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)的制造技術要求，國內外許多學者做了大量的研究，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，進而制作細微結構[3-4]；同時，Peter G，X. Zhang[5]等通過μSL成形工藝，可以制作出壁厚為10 μm的單壁蜂窩狀結構；日本的名古屋大學在微米印刷技術(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進行掃描平面內實體細微結構的制作，可以制作最小壁厚為0.011 mm的單壁蜂窩狀結構與最窄槽寬為0.034 mm的狹縫結構，表明了快速成形系統具備了制作細微結構的能力。但是，以上研究均是針對與它們相對應的激光快速成形系統而制作細微結構，本文是利用紫外光整層曝光的快速成形系統，設計了不同壁厚的蜂窩狀單壁結構和不同槽寬的槽狀結構，通過制作試驗，進一步表明了面曝光快速成形系統具有制作細微結構的能力。

1　用于制作細微結構的成形系統

為了使成形零件的尺寸滿足中間尺度的制造技術要求，西安工程大學自主開發了用于小尺寸零件制作的面曝光快速成形系統，如圖1所示。該系統主要包括視圖發生器、光學系統、升降工作臺及控制系統等，其原理：零件的CAD模型經自主開發的切層軟件分層處理后，將得到的數據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生器，在光敏樹脂表面生成相應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，形成相應截面的輪廓薄片，并逐層堆積成三維坯件，然后進行固化處理，得到最終的零件。

對于面曝光快速成形系統來說，既要具備制作薄壁結構的能力，也要有制作狹縫結構的能力，才能夠滿足現代化微型制造的需求。因此，通過制作實體細微結構，考察了該系統所具有的制作細微結構的能力，為面曝光快速成形技術的微型化發展奠定了堅實的基礎。

2　細微結構的三維模型

小尺寸零件在工作面內的細微結構特征分為薄壁結構特征和槽狀細微結構特征(狹縫結構)[8]。圖2為利用SolidWorks建立的實體細微結構三維模型，其中，圖2a是尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的蜂窩狀單壁結構，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的槽狀結構，它是由不同寬度的狹縫縱向排列所形成的。

3　細微結構的制作試驗

為了驗證面曝光快速成形系統在曝光平面內制作細微結構的能力，通過該系統分別進行了蜂窩狀單壁結構與槽狀結構的制作試驗。

3.1蜂窩狀單壁結構的制作試驗

(1)試驗設計：設計5組不同壁厚的薄壁結構，其壁厚分別為：0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm、0.05 mm。

(2)試驗方法：利用自主開發的面曝光快速成形機，對aidi-UV2230型光敏樹脂進行薄壁固化試驗。試驗在室溫30 ℃、光敏樹脂溫度40 ℃和光輻照度為1.5 μW/cm2的條件下進行，采用圖2a所示的模型為實驗模型，實驗模型被切為20層，分層厚度為0.1 mm。然后，通過面曝光快速成形系統進行制作，最終得到蜂窩狀單壁制件。制作時，對制件底部的2層，曝光時間設置為120 s，以保證單壁結構與黑色吸光紙片粘結可靠，其余的18層在曝光時間設置為60 s的條件下制作。利用小型工具顯微鏡對不同壁厚下所得薄壁的實際厚度測量3次，取其平均值，結果見表1。圖3是利用壁厚為0.01 mm模型制作出的蜂窩狀單壁結構局部在電子顯微鏡X11-3下的照片。

表1不同壁厚制件的實際厚度

理論壁厚/mm實際壁厚/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)結果分析：由于視圖發生器的像素為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所對應圖像的像素被取整為一個像素，得到的實際壁厚為一個像素所對應的壁厚。同時，在固化時，由于曝光能量的疊加，使得每一個薄壁的實際壁厚比理論壁厚略大。試驗結果表明：該系統可以制作出壁厚為0.039 mm的蜂窩狀單壁結構，并且具有較高的制作精度。

3.2槽狀結構的制作試驗

(1)試驗設計：對面曝光快速成形系統制作槽狀細微結構進行了試驗研究，試驗設計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)試驗方法：試驗在室溫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所示的模型為實驗模型，實驗模型被切為10層，分層厚度為0.1 mm。在曝光時間設置為60 s的條件下，通過面曝光快速成形系統的制作，得到如圖4所示的槽狀結構制件。利用小型工具顯微鏡測量槽狀結構制件的實際槽寬，測量3次，取其平均值，結果見表2。

表2槽狀結構制件的實際槽寬

理論槽寬/mm實際槽寬/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)結果分析：從表2可以看出，當槽狀結構的理論槽寬為0.2 mm時，試驗的誤差值最小。同時，從圖4看出，左起第一個槽(理論槽寬：0.1 mm)已經完全被樹脂堵塞；左起第二個槽(理論槽寬：0.2 mm)輕微地被堵塞，但利用電子顯微鏡X11-3可以觀察到局部細小的狹縫，見圖5。試驗結果表明：該系統可以制作出槽寬為0.17 mm的狹縫結構，并且具有較高的制作精度。

(4)分析槽狀結構被堵塞的原因：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存在折射現象，已固化部分附近有額外的紫外光通過，激發液態光敏樹脂的固化反應，使得實際固化寬度增大，因此，當槽狀寬度較小時，整個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，進而引起槽狀細微結構被堵塞。

4　結語

通過制作蜂窩狀單壁結構與槽狀結構，試驗結果表明：面曝光快速成形系統具備制作細微結構的能力，并且可以制作出壁厚為0.039 mm的蜂窩狀單壁結構和槽寬為0.17 mm的狹縫結構。

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

[2]王先逵.廣義制造論[J].機械工程學報，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關鍵技術研究[D].西安:西安交通大學，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的現狀與發展[J]. 機械科學與技術,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．快速成型技術及應用[M]．北京：機械工業出版社，2006：2-13.

[7]胥光申，趙萬華，盧秉恒. 用高分辨率快速成形系統制作細微結構[J].機械工程學報，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驗研究[D]．西安:西安工程大學，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，研究方向為快速成形技術。

2015-12-15)

160732