武向權，連芩，何曉寧，孟佳麗，李滌塵，靳忠民

（1.西安交通大學機械工程學院，機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安710049；2.西安電子科技大學微電子學院，寬帶隙半導體技術國家重點學科實驗室，陜西西安710126）

光固化原型技術是最早被開發(fā)和應用的一種增材制造技術，具有加工精度高、可加工材料種類多、應用范圍廣的優(yōu)點。通過使用含有不同成分的光敏材料，可加工各種具有不同用途的零件，如含有細胞或生長因子的生物支架[1]、注塑用注塑模具、復雜精細陶瓷零件[2]及各種快速原型件等。按照不同的固化方式，光固化原型技術可分為激光掃描光固化（laser scan stereolithography）技術和面曝光光固化（mask projection stereolithography）技術。其中，面曝光技術可一次曝光加工一整個層面，具有加工效率高的優(yōu)點；且自底向上投影的面曝光技術具有節(jié)省材料、對不同材料粘度適應性好的優(yōu)點。

目前，商用光固化原型技術只能用于加工單一材料，且同一個零件中只含當次加工槽中的材料。隨著工業(yè)制造日趨復雜，單一材料的光固化原型技術已不能滿足特種零件的復雜性和功能性要求。若能在同一零件中加工多種材料，就能分別利用多種材料的物理、化學性質或其復合性能，從而極大地提高光固化原型技術的自由度、加工能力和應用范圍，并開拓新的應用方式和應用前景。Wicker等[3-8]基于激光掃描技術對多材料光固化（multi-material stereolithography，MMSL）進行了深入研究，通過改裝SL設備，保留其激光系統(tǒng)，并將原固定式樹脂槽更換為3個單獨的旋轉式樹脂槽（2個材料槽、1個清洗槽），同時增加工作平臺的旋轉自由度，即可對剛加工完一層的工件進行倒置清洗；但由于已加工部分會浸入液態(tài)材料中，所以在更換加工槽前的清洗過程中會造成材料的浪費。Zhou等[9]基于面曝光技術研究了一種數字材料制造技術，應用了自底向上曝光的方式，可避免大部分已加工零件浸入液體材料中，從而在更換材料加工時能輕易地清洗掉前一種材料的殘余部分，減少了材料浪費，提高了清洗速度；但由于仍采用多個材料槽的設計，其加工效率有待提高。

本研究的目的在于提供一種分區(qū)旋轉槽的多材料面曝光增材制造系統(tǒng)及方法，以解決光固化原型技術較難應用于多材料加工領域的問題。該裝置運用自底向上面曝光固化材料的形式，通過配合三分區(qū)旋轉式材料槽和掩膜更換算法，并加入自動清洗步驟，解決了兩種材料加工從模型設計到掩膜生成，再到加工、清洗的問題。

1 多材料面曝光增材制造系統(tǒng)搭建

與自頂向下進行激光掃描的光固化設備相比，本實驗搭建的面曝光系統(tǒng)采用了自底向上面曝光的方式進行材料固化。系統(tǒng)示意見圖1a，主要由多材料加工模塊、曝光模塊和控制模塊組成。多材料加工模塊包括固定在Z軸上的成形臺、固定在X-Y平面上的三分區(qū)旋轉槽（圖1b）；曝光模塊包括波長為400～410 nm的UVLED光源、像素為1140×912的DMD芯片及其驅動電路以及投影鏡頭，鏡頭的投影面積為65.6 mm×41 mm、投影距離為92 mm、理論精度為51.25 μm；控制模塊包括運動控制模塊和曝光控制模塊。其中，運動控制模塊采用工業(yè)運動控制卡MPC08（一種基于計算機PCI總線，配備功能豐富、簡單易用的運動指令庫）和計算機進行運動控制，運動控制的內容包括：控制卡動態(tài)鏈接庫調用、運動參數保存和加載、控制卡初始化、反饋信號采集和輸出、單步運動、插值運動及運動控制界面設計等。在加工過程中，因為運動形式會隨著加工工藝變化而變化，且運動過程中的加減速和停止時間難以計算，所以在QT編程框架下，采用qt C++語言將運動控制模塊和曝光控制模塊進行整合，使曝光和運動按工藝要求有序進行。在曝光過程中，將曝光模塊視為一個外接屏幕，將模型切層后生成的掩膜以視頻信號形式輸出到該屏幕上，以達到投影和曝光掩膜的目的。

圖1 多材料面曝光增材制造系統(tǒng)

1.1 三分區(qū)旋轉槽的設計

如圖1b所示，三分區(qū)旋轉槽可存放打印所需的多種材料，并實現在材料切換間隔清洗打印件底面的功能。普通面曝光設備的打印槽結構簡單，未進行分區(qū)隔斷，故無法容納多種材料實現多材料的3D打印。本實驗通過對打印槽進行等面積分區(qū)隔斷，并將其劃分為一個清洗功能區(qū)和兩個材料容納區(qū)。當進行多材料加工時更換材料槽分區(qū)，先更換至清洗分區(qū)，清洗后再更換至另一材料分區(qū)。

清洗功能的實現需采用物理和化學相結合的清洗方式，具體過程如下：先用乙醇清洗，再用高孔隙率的清洗海綿抹拭；在材料轉化間隔，控制旋轉臺旋轉，依靠粘附在打印槽側沿的清洗海綿內的毛細管開孔結構，在旋轉抹拭過程中自動完成對零件表面的清洗。該清洗方式具有清洗效力強、實現簡單、可用于清洗凹凸不平面的特點，且不會損壞打印件表面。

1.2 多材料加工算法

多材料掩膜切換算法是在進行不同材料加工時，自動更換至對應材料模型的掩膜隊列和對應的掩膜；在進行單材料加工時，不需更換掩膜隊列。加工時，首先對同一零件的兩種材料（A、B）分別建立三維模型，再分別對其進行切層和生成掩膜處理；接著，將生成的兩個掩膜隊列導入多材料加工軟件，確定在同一高度分層（Ai+x，Bi+x）中是否含有兩種材料，并根據下一層的情況（只含有A、只含有B、同時含有A和B）自動判斷最優(yōu)切換方案，實現最少的切換和清洗次數，以減少加工時間，提高清洗效率。圖2是加工算法在不同情況下自動選擇的最優(yōu)加工路線，其中高度分層代表了加工過程中工作臺在Z方向的位置，A隊列和B隊列之間的切換箭頭代表了清洗和切換材料分區(qū)的過程。

圖2 加工算法在不同情況下自動選擇的最優(yōu)加工路線

2 實驗材料和方法

2.1 實驗材料（環(huán)氧樹脂）

采用紅色、白色兩種光固化樹脂進行多材料樣件的加工測試。根據《塑料拉伸性能的測定》標準，對白色樹脂進行拉伸性能測試，并在22℃時進行表現粘度測試，得到拉伸強度為29.25 MPa、彈性模量為87.75 MPa、表現粘度為612 mPa.s。

2.2 實驗方法

2.2.1 臨界曝光量和透射深度測試

實驗主要通過兩個參數來衡量光敏樹脂的特性：一是光敏樹脂的臨界曝光量Ec（使光敏樹脂發(fā)生凝固時的最低能量）；二是光敏樹脂的透射深度Dp。在已知Ec、Dp兩個特性參數的前提下，可選定制作零件時的加工參數：紫外光功率、曝光時間及分層厚度。

實驗制作了曝光時間為5 s、不同光強下的尺寸為20 mm×10 mm的長方形薄片，并用異丙醇進行清洗，再分別測量每一薄片的層厚。

2.2.2 多材料加工能力測試

為了驗證所搭建設備及多材料算法的有效性，進行了多材料加工能力測試。依據《塑料拉伸性能的測定》標準設計了拉伸試樣，并對拉伸試樣進行改動，設計了多材料界面剪切試樣。針對多材料零件所具有的層內多材料、層間多材料、層內層間混合多材料的材料分布特點，利用拉伸試樣和剪切試樣代表層內多材料情況、“蠟筆小新”模型代表層間多材料情況、牙本質-牙釉質模型代表層內層間混合多材料情況。其中，牙本質-牙釉質模型加工過程中的掩膜切換及清洗流程見圖3。

圖3 牙本質-牙釉質模型加工中掩膜切換和清洗流程

2.2.3 多材料成形件界面結合性能測試

通過設計拉伸實驗，檢驗多材料成形件的不同材料結合面處在拉伸應力和剪切應力作用下的斷裂情況，分析多材料快速成形對成形件力學性能的影響，為多材料加工件的應用提供參考和指導。利用多材料加工能力測試中加工出的拉伸試樣和剪切試樣進行實驗，在ETM-103A電子萬能力學試驗機上進行拉伸測試，并利用TI-DH置熒光顯微鏡進行斷裂面觀察。

3 實驗結果和討論

3.1 臨界曝光量和透射深度測試結果

液態(tài)光敏樹脂對紫外光的吸收遵循比爾-朗伯特（Beer-Lambert）定律，據此可作出層厚與曝光能量lnE的相關關系曲線，進而求出擬合直線的斜率b（透射深度）及直線與橫坐標軸的交點a，并由公式y(tǒng)=a+bx求得臨界曝光量x。所得紅、白色兩種樹脂的固化性能參數見表1。

表1 兩種樹脂材料的臨界曝光量及透射深度參數

在倒置熒光顯微鏡下對幾組長方形薄片樣品進行觀察、分析，可發(fā)現，隨著曝光功率的增加，兩種光敏樹脂零件的邊緣越來越不規(guī)則、不平滑，過曝光現象越來越明顯，所以在實際加工過程中應注意控制曝光功率。

3.2 多材料加工能力測試結果

通過實物加工驗證設備及算法的可行性，證明系統(tǒng)可適應多種模型的加工。在加工過程中，牙本質-牙釉質模型的清洗效果好于剪切模型和拉伸模型，這是由于牙本質-牙釉質模型的截面面積小于剪切、拉伸模型，但在抹拭和清洗過程中有較多的殘余樹脂，故清洗過程仍需進一步改進。四種模型及加工實物見圖4。

圖4 不同模型的加工實物圖

3.3 多材料成形件界面結合性能測試結果

在拉伸應力作用下，對多材料界面進行了五組斷裂實驗，結果見圖5，發(fā)現只有一組試件在多材料界面處斷裂。表明多材料界面結合質量良好，多材料結合處抗拉能力較強。

圖5 多材料界面在拉伸應力作用下的斷裂

在剪切應力作用下，對多材料界面進行了五組斷裂實驗，結果見圖6，發(fā)現全部試件都在拉應力最大的位置被拉斷，而不是從設計的剪切面處剪斷。表明多材料結合面結合質量良好，多材料結合處的抗剪切能力較強。

圖6 多材料界面在剪切應力作用下的斷裂

多材料成形件界面結合性能實驗結果可說明，本文所采用的多材料加工方式并未明顯影響兩種材料間的結合強度，界面結合性能取決于兩種光固化樹脂材料本身的性質。然而，上述兩種測試結果仍不足以描述界面結合的情況，還需對所用材料和模型做進一步的測試。

3.4 加工存在的問題及改進

在加工中發(fā)現，一次加工的零件越多、截面積越大，最終材料間的相互污染就越嚴重（圖7a）。分析原因：清洗功能尚不完善。在清洗過程中，清洗液的作用較小，而清洗海綿自身的清潔能力有限，在多次清洗后，清洗海綿本身會成為污染源。因此，打印槽的清洗功能有待完善。

由于工作臺與樹脂槽底面的平行度較差，在加工固化厚度較小的材料時易發(fā)生工作臺一側的固化層無法粘接到工作臺底面的情況（圖7b）。因此，應加入球鉸鏈調平機構，使工作臺與樹脂槽底面達到較高的平行度。

圖7 加工過程中存在的問題

4 結束語

本文建立了分區(qū)旋轉槽多材料面曝光增材制造系統(tǒng)，并利用兩種光固化樹脂材料完成了不同種類的多材料零件打印，主要為層內多材料零件及層內、層間混合多材料零件。通過設計拉伸試驗，對多材料界面結合的抗拉、抗剪性能進行了測試，在拉伸應力作用下進行的斷裂實驗中，只有一組試件在多材料界面處發(fā)生斷裂，而在剪切應力作用下進行的斷裂實驗中，沒有出現在剪切面被破壞的情況。實驗結果表明，本文采用的多材料加工方式可加工出界面結合性能良好的零件。

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