王權(quán)岱，梁 民，史卜輝，李鵬陽(yáng)，李 言

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 引 言

3D打印技術(shù)由產(chǎn)品原型快速制造向功能零件大規(guī)模直接制造的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)打印效率提出了更高的要求[1-2]。光固化成型作為3D打印體系中最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的工藝具有成型精度高、成型速度快的特點(diǎn)[3-4]，近年來，隨著陶瓷樹脂等復(fù)合光敏樹脂的不斷豐富，展現(xiàn)出更為廣泛的應(yīng)用潛力[5-7]。光固化成型技術(shù)可以分為掃描式和面曝光式成型工藝，與掃描式成型工藝相比，面曝光成型工藝一次曝光完成零件一個(gè)剖面的固化，顯著提升了成型效率。根據(jù)光源投影方向的差異，面曝光成型工藝可以分為自由式和約束式面曝光，與自由面曝光相比，約束面曝光具有材料浪費(fèi)少、成型分辨率高、成型速度快的優(yōu)勢(shì)[8-10]。約束面曝光成型主要工藝問題是固化層與約束基底之間存在黏附力，固化層反復(fù)從約束基底剝離時(shí)產(chǎn)生的過大應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致打印零件發(fā)生變形、斷裂以及約束基底的損壞[11-14]。

為了解決上述工藝問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[15-17]。主要解決方案包括延長(zhǎng)固化時(shí)間使樹脂過固化以增加層間的結(jié)合強(qiáng)度[10]、采用具有低表面能的離型膜層減小固化層在基底的黏附力[11-13]以及通過優(yōu)化固化層剝離方式，比如采用兩通道系統(tǒng)使得界面分離所需要克服的法向固相界面間的黏結(jié)力轉(zhuǎn)換成的側(cè)向剪切力[14-15]，或者通過傾斜剝離使界面分離過程由面分離轉(zhuǎn)變?yōu)榫€分離[16-17]。過固化方法延長(zhǎng)了曝光時(shí)間從而降低了打印速度，同時(shí)變形增大影響成型精度；采用中間功能膜層方法主要問題是功能膜在基底附著強(qiáng)度不足；優(yōu)化的剝離方式附加了多余的動(dòng)作，因而降低了成型效率。

連續(xù)液面成型(Continuous Liquid Interface Production, CLIP)技術(shù)[18]利用氧的阻聚反應(yīng)[19-20]，在固化層與約束基底之間形成一層未固化的液態(tài)薄層，稱之為阻聚區(qū)或者“死區(qū)”，從而使固化層與約束基底的剝離形式由固-固分離轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液分離，使分離力顯著減小，從而極大地提高了打印速度，采用該技術(shù)比傳統(tǒng)立體光刻(Stereolithography，SLA)技術(shù)快25～100倍以上[18,21-22]。然而該技術(shù)中應(yīng)用的特氟龍薄膜(Teflon AF2400)昂貴的價(jià)格是工程化應(yīng)用的障礙。為此，本文提出一種采用多孔玻璃+PDMS膜為約束基底低成本實(shí)現(xiàn)阻聚區(qū)的方案，利用具有較好的透氧性和透光性的PDMS膜代替AF2400，解決成本問題；采用石英玻璃作為支撐體提高基底剛性；為了保證基底的透氧性，通過激光加工在石英玻璃基底上制備了微孔陣列。本文在探討CLIP工藝中阻聚區(qū)形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，圍繞基底微觀特征影響透光性及阻聚氣體透過率從而影響阻聚區(qū)形成的規(guī)律展開研究，并通過3D打印實(shí)驗(yàn)得出了氧阻聚區(qū)厚度對(duì)固化層與約束基底剝離時(shí)剝離力大小的規(guī)律，驗(yàn)證了該約束基底的在減小粘附力方面的效果。

2 約束投影快速3D打印工藝中阻聚區(qū)形成機(jī)理

CLIP技術(shù)利用了氧的阻聚效應(yīng)，在固化層與約束基底之間形成一層薄的未固化液態(tài)區(qū)域，即氧阻聚區(qū)。由于該區(qū)域的存在，在不影響傳統(tǒng)約束面曝光成型質(zhì)量的同時(shí)，將固化層約束基底剝離形式從固-固分離轉(zhuǎn)化為固-液分離，從而極大地減小了分離力，解決了剝離力過大導(dǎo)致的工藝可靠性問題，為提高打印速度提供了條件。

圖1為CLIP技術(shù)工藝示意圖。首先，DLP投影儀將零件二維切片圖形投影至約束基底上表面，同時(shí)氧氣被通入氧氣倉(cāng)，并通過擴(kuò)散效應(yīng)擴(kuò)散至約束基底上的光敏樹脂中。氧氣在樹脂中的濃度隨著進(jìn)入樹脂的距離而減小，當(dāng)氧氣對(duì)自由基的抑制能力弱于自由基聚合能力時(shí)，聚合反應(yīng)開始。在氧氣被完全消耗完且自由基仍存在的闕值距離處，樹脂完成固化，該闕值距離就是氧阻聚區(qū)厚度H。

(1)

式中：φ0為單位時(shí)間單位面積入射光子數(shù)量，αPI為光引發(fā)劑濃度和波長(zhǎng)相關(guān)吸收率乘積，Dc0為樹脂反應(yīng)活性，C為比例常數(shù)。

圖1 CLIP技術(shù)工藝示意圖Fig.1 Sketch of continuous liquid Interface production

由式(1)可知，阻聚區(qū)厚度H與入射光子數(shù)量，光引發(fā)劑濃度和波長(zhǎng)相關(guān)吸收率乘積以及樹脂反應(yīng)活性有關(guān)，其中樹脂反應(yīng)活性只取決于所選的樹脂類型。降低透光率可以減小φ0，阻聚區(qū)厚度增加；增強(qiáng)透過約束基底的氧氣濃度可以減小αPI，阻聚區(qū)厚度增加。即CLIP技術(shù)在選擇特定樹脂后，通過調(diào)節(jié)約束基底的透光性和透氧性來控制氧阻聚區(qū)的厚度。

在本文提出的多孔玻璃與PDMS膜構(gòu)成的約束基底條件下，多介質(zhì)及復(fù)雜界面既是固化光源的傳播路徑，也是阻聚氣體的傳質(zhì)通道，基底微觀孔隙特征必然影響阻聚層的形成，因此需要對(duì)微觀孔隙特征影響阻聚層的規(guī)律進(jìn)行研究。

3 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備和試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 實(shí)驗(yàn)材料和主要設(shè)備

采用創(chuàng)想三維的UV光敏樹脂(黃色)；對(duì)于均勻介質(zhì)PDMS膜的透光性采用雙光束紫外光分度計(jì)(UV4800，尤尼柯(上海)儀器有限公司)測(cè)量，其波長(zhǎng)范圍為190～1 000 nm，波長(zhǎng)準(zhǔn)確度為±0.5 nm，光度準(zhǔn)確度可達(dá)±0.002 Abs；對(duì)于非均質(zhì)的多孔玻璃采用照度計(jì)(TES1339，臺(tái)灣泰仕的照度計(jì))測(cè)量，照度計(jì)精度0.02 Lux；基底透氧性采用便攜式氧氣檢測(cè)儀(PLT-BX-02，深圳市普利通電子科技有限公司)，氧氣檢測(cè)儀精度：0.01%。

氧阻聚區(qū)厚度影響?zhàn)じ搅Υ笮?，黏附力測(cè)量所采用的3D打印試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，包括圖像單元、Z軸滑臺(tái)、加載單元、樹脂槽等。圖像單元采用以德州儀器(TI) DLP芯片為核心的光機(jī)(Pro4500，UV405 nm，北京聞亭泰科技術(shù)發(fā)展有限公司)，投影幅面：131.2×82 mm，畸變<0.8%；Z向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用精密電動(dòng)平移臺(tái)(北京科盈創(chuàng)拓科技發(fā)展有限公司)，其重復(fù)定位精度為4 μm；加載單元通過拉壓力傳感器(斯巴拓SBT970TX，廣州斯巴拓電子科技有限公司)將Z向驅(qū)動(dòng)裝置與打印托板連接起來，進(jìn)行黏附力的在線測(cè)量，傳感器測(cè)量范圍：0～50 kg，采樣頻率：50 Hz，測(cè)量精度大于±0.2%。

圖2 3D打印試驗(yàn)裝置Fig.2 3D printing setup

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

由于基底透光性、透氧性都影響著氧阻聚區(qū)厚度以及黏附力大小，因此首先對(duì)不同約束基底條件下的透光性和氧氣滲透性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，采用差厚的方法測(cè)量了兩種因素影響下氧阻聚區(qū)的厚度，并通過3D打印實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同基底條件影響阻聚區(qū)從而影響剝離力大小的規(guī)律。

3.2.1 基底透光性測(cè)量

為了研究薄膜的厚度對(duì)約束基底透光率的影響規(guī)律，本文采用液態(tài)澆鑄法制備了不同厚度的PDMS薄膜，采用雙光束紫外光分度計(jì)分別測(cè)試了厚度為1、2、3、4 mm PDMS膜的透光率。

對(duì)于多孔玻璃非均質(zhì)表面，由于各點(diǎn)局部透光性并不相同，采用雙光束紫外光分度計(jì)測(cè)量結(jié)果難以反映多孔玻璃基底的透光性。因此，在研究微孔特征對(duì)透光性的影響時(shí)，采用照度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。多孔支撐板為邊長(zhǎng)60 mm、高為2 mm的多孔玻璃。如圖3所示，D為圓孔直徑，W為孔間距，圓孔的疏密程度用D/W表示。試驗(yàn)中采用微孔孔徑分別為400、600 μm和800 μm、不同疏密程度的孔，微孔面積率δ為0.031 4、0.014、0.007 85和0.005 02。

圖3 微結(jié)構(gòu)分布示意圖Fig.3 Schematic for microstructure Distribution

3.2.2 基底透氧性測(cè)量

氧濃度是影響阻聚區(qū)厚度的主要因素之一，本文對(duì)透氧性測(cè)量的方法如圖4所示，上方氣腔通過排氣孔1與大氣相通，使上方氣腔壓力穩(wěn)定在0.1 MPa，進(jìn)氣孔與氧氣瓶連接，排氣孔2主要用于實(shí)驗(yàn)過程中下方氣腔氣體的排出。實(shí)驗(yàn)中，為了防止PDMS膜由于氣體壓力過大而發(fā)生變形，將PDMS膜放置于多孔支撐板的下方。實(shí)驗(yàn)時(shí)，關(guān)閉排氣孔2，打開排氣孔1，接通氧氣瓶通入氧氣，通過調(diào)整壓力閥使得通入氧氣的壓力在0～6 KPa范圍內(nèi)變化，用便攜式氧氣檢測(cè)儀記錄實(shí)驗(yàn)過程中上方氣腔的氧濃度變化。實(shí)驗(yàn)中供氧流速8 L/min，微孔參數(shù)與3.2.1節(jié)相同。

圖4 透氧性能測(cè)量示意圖Fig.4 Schematic diagram of oxygen permeability measurement

3.2.3 氧阻聚區(qū)厚度測(cè)量

在約束基底兩側(cè)對(duì)稱位置分別放置厚度為1 mm的有機(jī)玻璃墊片，在墊片上方放置和基底等尺寸的玻璃板。實(shí)驗(yàn)時(shí)液態(tài)樹脂填充于玻璃板與約束基底之間的縫隙中，使固化樹脂位于約束基底的中央位置，測(cè)量方法示意圖如圖5所示。

圖5 阻聚區(qū)厚度測(cè)量方法示意圖Fig.5 Schematic diagram of thickness measurement method in the inhibition zone

測(cè)量阻聚區(qū)厚度時(shí)的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)：δ=0.014 0，D=400 μm，多孔玻璃厚度為2 mm，PDMS膜厚4 mm，固化截面形狀為半徑1 mm的圓。進(jìn)行光照強(qiáng)度對(duì)阻聚區(qū)厚度的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，通入氧氣流速為8 L/min；進(jìn)行氧氣濃度對(duì)氧阻聚區(qū)厚度的影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，光照強(qiáng)度為207.8 Lux。為使測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，每組實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取5個(gè)位置測(cè)量阻聚區(qū)，采用數(shù)字千分尺進(jìn)行測(cè)量，并取平均值。實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)置固化時(shí)間為40 s，固化后用酒精浸泡的無(wú)塵布擦去未固化的樹脂，然后利用差厚的方法測(cè)量阻聚區(qū)厚度，即:

h′=(h玻璃板+h墊片)-(h玻璃板+h固化厚度).

(2)

3.2.4 剝離力的測(cè)量

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的約束基底的性能，在通入氧氣的情況下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了采用本基底時(shí)剝離力的大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)力原理為：拉力傳感器置于打印托板與連接件之間，固化層開始剝離前拉力傳感器清零，以消除打印托板的重力對(duì)所測(cè)剝離力的影響。傳感器在固化層剝離過程中所記錄的力的變化曲線即為固化層的剝離力曲線，剝離力曲線中的最大值即為固化層剝離所需的剝離力。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)：D=400 μm，δ=0.031 4，多孔石英玻璃厚度2 mm，PDMS膜厚度4 mm，光照強(qiáng)度280 Lux，固化層厚度100 μm，剝離速度5 mm/s，固化圓形截面半徑10.0 mm。為研究氧阻聚區(qū)厚度與剝離力之間的關(guān)系，采用通氧流速分別為2,4,6,8 L/min以得到不同厚度的阻聚區(qū)，測(cè)量了剝離力的大小變化。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 基底微觀特征對(duì)透光性的影響

PDMS膜厚度為1,2,3,4 mm時(shí)的透光率測(cè)

試結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，薄膜的透光率隨著厚度的增加而降低，但是膜厚對(duì)透光率影響不大，在本文所采用的波長(zhǎng)為405 nm的紫外光源條件下，透光率最大為93%，最小為88%。

圖6 不同厚度PDMS膜的透光率Fig.6 Transmittance of PDMS films of different thicknesses

采用照度計(jì)對(duì)多孔玻璃的透光性及多孔玻璃+厚度為2 mm的PDMS膜組成的約束基底的透光性進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，同一面積率時(shí)，孔徑越大，透光率越高；同一孔徑時(shí)，面積率越高，透光率越低。綜合分析上述測(cè)量結(jié)果，可以認(rèn)為透光性主要受孔邊緣的影響，因?yàn)椴ＡЩ孜⒖资峭ㄟ^激光加工而成的，孔的邊緣透光性較差。因此，基底加工微孔陣列情況下，控制微孔加工過程中的邊緣效應(yīng)可以提高透光率。不同微孔的基底透光率有所不同，但是本文所制備基底條件下透光率均在85%以上。雖然基底微孔的存在從透光率的角度對(duì)光固化成型影響并不顯著，但是由于微孔會(huì)影響成型區(qū)局部固化特征，因此微孔陣列對(duì)于成型精度的影響也將是今后進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容。在加工了微孔陣列基礎(chǔ)上，涂覆PDMS膜后，基底透光率有所下降，對(duì)比圖7(a)與圖7(b)可知，存在PDMS膜時(shí)透光率最大下降4.46%，最小下降0.66%，但透光率均在84%以上，可以滿足光固化3D打印要求。PDMS膜厚、微孔孔徑及分布特征均影響透光性，通過有限差分法計(jì)算結(jié)合試驗(yàn)研究各個(gè)因素對(duì)透光性綜合影響的機(jī)理也是課題目前正在研究的內(nèi)容。

4.2 基底微觀特征對(duì)透氧性的影響

對(duì)具有不同面積率和孔徑的約束基底的透氧性進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8可以看出，孔徑相同，約束基底的透氧性能隨面積率的增大而增大，上方氣腔的氧濃度穩(wěn)定值在面積率為0.031 4時(shí)最大。相同孔徑情況下，隨著基底微孔面積率的增加，擴(kuò)散區(qū)域增大，氣體可以更多地?cái)U(kuò)散進(jìn)入上方氣壓腔室，因此達(dá)到平衡后氣體濃度高于低面積率基底。由圖9可以看出，面積率相同時(shí)，在氧氣擴(kuò)散初期，孔徑對(duì)透氧性能并無(wú)規(guī)律性影響，當(dāng)濃度達(dá)到平衡后，孔徑為400 μm時(shí)上方氣腔的氧濃度值最大，孔徑為800 μm時(shí)上方氣腔的氧濃度最小，說明面積率相同的條件下，小孔徑的孔有利于氧氣的滲透。其原因可以根據(jù)伯努利方程解釋，因?yàn)楫?dāng)壓力一定時(shí)，孔徑越小，流速越大，氧氣滲透的距離越大，最終導(dǎo)致氧氣擴(kuò)散至阻聚區(qū)的濃度增加。

圖8 面積率對(duì)約束基底透氧性能的影響Fig.8 Effect of area ratio on oxygen permeability of constraint surface

4.3 基底微觀特征對(duì)阻聚區(qū)厚度的影響

分別改變光照強(qiáng)度和氧氣供氧流速，對(duì)氧阻聚區(qū)厚度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如圖10所示。

從圖10(a)可以看出，阻聚區(qū)厚度隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而下降(其中通入氧氣流速為8 L/min)。在其他工藝條件不變的情況下，光照強(qiáng)度的增強(qiáng)縮短了固化時(shí)間，但阻聚區(qū)的厚度下降，固化層剝離力增加。由圖10(b)可以看出，阻聚區(qū)厚度隨著供氧流速的增加而增加(其中光照強(qiáng)度為207.8 Lux)，當(dāng)供氧流速為10 L/min時(shí)，氧阻聚區(qū)厚度達(dá)到101 μm。實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體工藝要求通過調(diào)整光照強(qiáng)度和供氧量對(duì)阻聚區(qū)厚度進(jìn)行控制。當(dāng)供氧流速為0時(shí)，即約束基底底部無(wú)氧氣通入，此時(shí)的阻聚區(qū)厚度為16 μm，這是因?yàn)镻DMS膜本身具備一定的氧滲透能力。

圖10 光照強(qiáng)度及供氧流速對(duì)氧阻聚區(qū)厚度的影響

4.4 不同阻聚區(qū)厚度條件下的剝離力的影響

為了對(duì)比阻聚區(qū)對(duì)減小固化層剝離力效果，采用普通基底和透氧基底進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示，為了提高對(duì)比效果，光照強(qiáng)度提高到280 Lux?？梢钥闯觯?dāng)通入氧氣時(shí)，由于氧阻聚區(qū)存在，使得固化層與約束基底的剝離力顯著減小，剝離過程中最大的力從24.7 N降至5.6 N。

通過控制供氧流速得到不同阻聚區(qū)厚度并測(cè)量在此條件下的剝離力，研究阻聚區(qū)厚度對(duì)剝離力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖12所示。供氧流速2,4,6,8 L/min對(duì)應(yīng)的阻聚區(qū)厚度分別為21,25,31,46 μm?？梢钥闯鲅踝杈蹍^(qū)厚度越大，剝離力越小，當(dāng)氧阻聚區(qū)厚度為46 μm 時(shí)，剝離力僅為2.6 N。由于固化光源需透過阻聚區(qū)在阻聚區(qū)上方形成固化層，阻聚區(qū)厚度過大時(shí)，成型精度降低。因此，保持適當(dāng)?shù)难踝杈蹍^(qū)厚度可以兼顧成型精度的同時(shí)減小固化層剝離時(shí)的剝離力，提高工藝可靠性。

圖11 有無(wú)氧氣時(shí)的剝離力對(duì)比Fig.11 Comparison of peel force with or without oxygen

圖12 氧阻聚區(qū)厚度對(duì)固化層剝離力的影響

5 結(jié) 論

本文針對(duì)約束投影快速3D打印工藝中粘附力影響工藝可靠性以及目前氧阻聚區(qū)解決方案高成本問題，提出了一種采用多孔玻璃支撐板+PDMS膜低成本實(shí)現(xiàn)阻聚區(qū)的方案，并對(duì)基底微觀特征影響基底透光性、氣體滲透性、阻聚區(qū)厚度和粘附力的規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，基底微觀特征影響透光性，通過調(diào)控基底微孔幾何特征及PDMS的厚度可以調(diào)整透光率，本文所制備的約束基底透光率可達(dá)84%以上，能夠滿足光固化3D打印的要求；約束基底的微觀特征影響透氧性能，影響透氧性的主要因素是面積率，透氧性隨面積率的增大而增大；基底微孔孔徑大小影響阻聚氣體流場(chǎng)的流動(dòng)特性從而影響透氧性，面積率相同的條件下，小孔徑有利于透氧性提高；光照強(qiáng)度與氧氣濃度影響氧阻聚區(qū)厚度，從而影響剝離力的大小，在本文提出的約束基底條件下，通過調(diào)整光照強(qiáng)度和氧氣濃度可以生成的阻聚厚度可達(dá)100 μm以上；氧阻聚區(qū)的存在使剝離力大幅度減小，剝離力大小隨氧阻聚區(qū)厚度增加而減??；阻聚區(qū)厚度過大時(shí)，成型精度降低，保持適當(dāng)?shù)难踝杈蹍^(qū)厚度可以兼顧成型精度的同時(shí)減小固化層剝離時(shí)的剝離力，提高工藝可靠性。