基于全反射原理高精度光固化成型設備*

鄧旭秋，朱珊珊，楊 峰

（常州工業職業技術學院 現代裝備制造學院，江蘇 常州 213164）

數字光處理（DLP）技術是增材制造（AM）的代表技術之一[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，經過層層固化累計后從而打印出立體模型[3，4]。光學引擎（紫外光成像系統）設置于光敏樹脂成型槽（液槽）的下方（或上方），通過光學（光路）設計，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，光敏劑將能量轉移給光引發劑，引發光聚合成型，單次可固化一層特定厚度及形狀的光敏樹脂[5]。液槽固定在一個運動機構（絲杠）上，每次曝光完成后向上提升單層高度，使得當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體的打印過程[6，7]。DLP 在復雜三維微納結構、高深寬比微納結構和復合材料三維微納結構制造方面具有突出的潛能和優勢：即設備簡單、成本低、可使用材料種類多和無需掩模或模具直接成形[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現面光固化成型，此種設置的缺陷在于：因為光敏樹脂的表面張力，成型零件已固化的部位必然會粘附殘留的光敏樹脂，如圖1 所示，當紫外線入射光6 沿垂直方向通過作用點7 后，部分紫外光照射成型零件懸空結構上殘留的光敏樹脂（特別是凹槽結構），引發光固化成型，在零件表面固化滴狀物（圖1B）或封閉凹槽結構（圖1A），經過累計光照后，超過光敏樹脂的固定閾值，出現不受控的光固化現象。降低成型零件的表面質量，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備，該光固化成型設備采用將光學引擎傾斜設置，使向液槽內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，光敏樹脂相對于空氣屬于光密介質，使紫外光在光敏樹脂的上液面處發生全反射，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。因為光敏樹脂的表面張力，會有部分光敏樹脂殘留在成型零件已經固化的部分，使剩余的紫外光與殘留的光敏樹脂不發生相互作用，使紫外光的固化作用控制在一定的范圍內，提高對光固化過程的控制，達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備設計

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備的原理圖

基于全反射原理的光固化成型設備的原理圖，如圖2 所示，該成型設備包括：液槽1，用于容納光敏樹脂5；液槽的槽底設有高透光率光學玻璃2，紫外透過底部光學玻璃照射在間隙的樹脂上；運動機構（絲杠）3，用于固定液槽，所述運動機構位于液槽的上方；光學引擎用于投射出紫外入射光6，光學引擎系統設置在透光玻璃的下方，并且傾斜設置。使向液槽內投射的紫外入射光傾斜，入射光穿過透光玻璃固化液槽內的光敏樹脂。紫外光機系統輸出的入射光在光敏樹脂的液面上表面處產生全反射。即光學引擎投射的入射光6 從光敏樹脂射入到空氣中時，光敏樹脂與空氣相比較，屬于光密介質?？梢允棺贤夤庠诠饷魳渲纳弦好嫣幇l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，會使部分光敏樹脂吸附并殘留在已經固化的成型零件上。通過紫外光發生全反射，使剩余的紫外光與殘留的光敏樹脂不發生相互作用，控制紫外光的固化范圍，提高對光固化過程的控制。圖2 中液位計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充，精準的控制全反射的發生位置。

本文搭建的光固化成型設備基于全反射原理，其打印工作流程如下：如圖2 所示，首先在液槽1 內設置液面高度控制裝置9，用于控制液槽內的光敏樹脂的液面高度，單次向液槽1 內注入一定量的光敏樹脂，補給量與當前待成型三維產品4 固化一層所需的光敏樹脂量相同。接著開啟光學引擎系統從下至上向液槽1 內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 內的單層層高內的光敏樹脂待固化層固化。部分剩余紫外入射光7 在液態光敏樹脂的上液面處發生全反射，使剩余的紫外光與殘留的光敏樹脂不發生相互作用，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 固定在一個運動機構（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 實現向液槽1 內補給下一層光固化所需的液態光敏樹脂，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體的打印過程。

2 試驗結果與討論

圖3 光固化成型零件

根據全反射原理設計的技術方案，搭建了光固化成型設備并進行實驗驗證，光學引擎的紫外波長為385nm，光敏樹脂的吸收峰為360～380nm，取得了一些實驗成果，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，無堵塞現象，并且微流道內腔非常光滑；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，縫隙側壁非常光滑，沒有因為光敏樹脂的殘留固化堵塞縫隙；圖3c 是一個打印的肝臟形狀，透過光線，可以清晰的看見內部的每一個微流道，實驗結果表明，基于全反射原理提高成型效果的光固化成型設備的成型精度非常高。

3 結論

本文解決了現有技術中的光固化成型設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已打印完成的零件上所殘留的光敏樹脂產生固化作用，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。搭建了一臺基于全反射原理的光固化成型設備，采用向液槽內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。避免對待成型三維產品上已固化部分上殘留的光敏樹脂產生固化作用，實現了對紫外光作用范圍的控制，加強對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。