李仕浩，張承瑞，王 鵬，潘鵬鵬

（山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

1 引言

基于層層累積的傳統(tǒng)約束液面面成型工藝[1-2]存在垂直分辨率與層厚之間的矛盾以及剝離力過大導(dǎo)致成型失敗的問題[3]。但是，在2015 年3月，《Science》期刊的一篇文章中報(bào)道了一種新型連續(xù)液面成型工藝（Continuous Liquid Interface production，CLIP）[4]。CLIP工藝?yán)霉饷魳渲难踝杈坌?yīng)[5]在透UV 紫外光和透氧氣的半透膜上方形成一層不固化的液態(tài)樹脂層（死區(qū)，Dead Zone），省去了傳統(tǒng)約束液面面成型工藝所需的固化層分離、樹脂重涂以及重定位等步驟，實(shí)現(xiàn)了成型平臺(tái)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，如圖1 所示。該工藝大大提高了成型效率，并完美地解決了垂直分辨率和層厚之間的矛盾以及剝離力過大的問題，引發(fā)了光固化領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。該工藝可以說是約束液面面曝光成型工藝的變種與延伸。CLIP 工藝中，成型平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，所以后文中的成型速度等于成型平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度。

目前美國(guó)某大學(xué)對(duì)該工藝以及相關(guān)材料進(jìn)行研制和突破[4，6]，并將其應(yīng)用到醫(yī)療，制造業(yè)等領(lǐng)域[7-8]。國(guó)內(nèi)的某研究所，利用一種新型的高透氣薄膜，進(jìn)一步提高了成型效率[9]。在目前大多數(shù)的研究中，成型平臺(tái)都是在連續(xù)勻速的情況下向上運(yùn)動(dòng)的。但是，對(duì)于工件橫截面積較大的區(qū)域，樹脂流動(dòng)速度是限制其成型速度的主要因素，而在橫截面積較小的區(qū)域樹脂，固化速率是限制成型速

度的主要因素。為了兼顧樹脂流動(dòng)性能和固化性能，最好的方式是根據(jù)工件模型特征信息，對(duì)成型速度進(jìn)行規(guī)劃。如何根據(jù)模型

信息規(guī)劃成型速度，確定不同的速度下對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值，以及為保證固化精度，如何在成型過程中實(shí)時(shí)改變投影機(jī)的光強(qiáng)值。

針對(duì)上述的問題，提出了一種變速CLIP 方案。第二部分建立了的CLIP 工藝的能量固化模型，提出一套確定成型平臺(tái)爬升速度和所需能量的方法；第三部分根據(jù)樹脂的填充性能，提出了一種基于模型信息的速度規(guī)劃方法；第五部分利用DMD 支持256 級(jí)灰度調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，提出了一種通過投射帶灰度的掩膜圖像[10]來間接改變投影機(jī)光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)最佳固化精度的方法；第五部分實(shí)驗(yàn)表明該變速CLIP 工藝方法，在保證精度的情況下，能最大程度的兼顧樹脂的流動(dòng)性和樹脂的固化性能，實(shí)現(xiàn)更大的成型效率。

圖1 CLIP 工藝原理Fig1 Principle of CLIP Process

2 CLIP 工藝的能量固化模型

光學(xué)中用輻照度來指示投影機(jī)光強(qiáng)度的大小，輻照度是指單位面積上投射的輻射通量，其單位是瓦特每平方米［W/m2］。

為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上的固化的樹脂量進(jìn)行分析，如圖2 所示。

直觀分析可知vclimb越大，單位時(shí)間內(nèi)固化的樹脂量越多，所需能量也就越大。需要定量分析出所需光輻照度Ek和成型平臺(tái)爬升速度vclimb之間關(guān)系。

圖2 CLIP 工藝能量固化模型Fig.2 Energy Curing Model of CLIP Process

圖中：vclimb—成型平臺(tái)上升速度；Ek—輻照度

單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上需的固化的樹脂體積為：

如果建造平臺(tái)的速度vclimb增大N 倍，那么樹脂的固化量就相應(yīng)變?yōu)椋?/p>

假設(shè)Vresin體積的樹脂所需固化能量是Ev，那么速度增大N倍后，所需能量也要增大至N 倍，其輻照度Ek也應(yīng)該增大N 倍。但是，由于死區(qū)的存在，其固化機(jī)理變得復(fù)雜。根據(jù)工程實(shí)際，提出一種利用實(shí)驗(yàn)的方式來測(cè)定不同速度下所需的輻照度值的方法。

測(cè)定的機(jī)理為：由于不同的固化程度對(duì)光敏樹脂的固化精度有不同的影響，光強(qiáng)太弱，固化不足，造成加工件的尺寸偏小，光強(qiáng)過大，周圍樹脂產(chǎn)生固化，造成加工件尺寸偏大[16]。所以在每一成型速度下，存在一個(gè)最佳光強(qiáng)值。

設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)定加工基座爬升速度和輻照度關(guān)系的標(biāo)定件，如圖3（a）所示。圓形和方形直徑或邊長(zhǎng)等于5mm。

實(shí)驗(yàn)采用的樹脂SY-01，其收縮率為2%，這里取4.90mm 為最佳固化尺寸。

圖3 輻照度與速度關(guān)系標(biāo)定件Fig.3 Clibration Part of Relationship Between Irradiance and Speed

利用后面第五部分搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，標(biāo)定件的實(shí)際成型效果，如圖3（b）所示。通過多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)定某一速度下到達(dá)最佳固化尺寸所需輻照度的值。依次得到所有速度下對(duì)應(yīng)的輻照度值，并將數(shù)據(jù)用三次曲線進(jìn)行擬合得到結(jié)果，如圖4 所示?？梢钥闯?，輻照度和成型平臺(tái)爬升速度的關(guān)系曲線前面基本成線性，但隨速度的增大，曲線趨于平緩。

圖4 輻照度與成型平臺(tái)爬升速度的關(guān)系Fig.4 Relationship Between Irradiance and Climbing Speed of Molding Platform

3 基于模型信息的速度規(guī)劃

在連續(xù)液面成型工藝（CLIP）中樹脂的填充是通過由于氧阻效應(yīng)在透氣窗和已固化工件之間形成的液態(tài)死區(qū)來實(shí)現(xiàn)樹脂的填充[4]。采用實(shí)驗(yàn)的方式探究樹脂流動(dòng)性和成型平臺(tái)爬升速度的關(guān)系。

對(duì)工件橫截面積較大的區(qū)域，樹脂流動(dòng)速度是限制成型效率的主要因素，而橫截面積較小的區(qū)域樹脂固化速率是限制成型效率的主要因素。因此，可以根據(jù)工件模型特征信息在不同區(qū)域采用不同的成型速度。

如果直接對(duì)三維模型的特征進(jìn)行分析計(jì)算量比較大，且沒有明確標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)二維圖像進(jìn)行分析得到成型平臺(tái)爬升速度，其具體實(shí)施方法如下。

3.1 標(biāo)定不同速度下所能填充的最大面積（直徑）

設(shè)計(jì)包含一系列直徑梯度的標(biāo)定件，圓柱直徑（1～6）mm（只包含了部分直徑的測(cè)定件）逐漸遞增，如圖5（a）所示。利用第五部分搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)定不同速度下所能填充的最大面積（直徑）。從最小的速度開始，逐步增加速度，并每次將投影機(jī)輻照度調(diào)整到該速度對(duì)應(yīng)的最佳固化尺寸的輻照度值。根據(jù)標(biāo)定測(cè)試件的實(shí)際成型情況，確定該速度下沒有由于流動(dòng)性造成缺陷的最大面積（直徑）。在0.047mm/s 速度下，D=6 表面有由于流動(dòng)性不足造成圓形的缺陷，D=5 表面充實(shí)飽滿而無(wú)缺陷，如圖5（c）所示。在0.055mm/s 速度下，D=6 和D=5 表明均有明顯圓形缺陷，D=4 基本無(wú)缺陷，如圖5（b）所示。以表面無(wú)缺陷為界就確定了該速度下所能填充的最大直徑。

圖5 成型平臺(tái)爬升速度和樹脂填充半徑標(biāo)定件Fig.5 Calibration Part of Climbing Speed of Molding Platform and Resin Filling Radius

綜合考慮輪廓復(fù)雜性，留出樹脂填充安全裕度。得到實(shí)驗(yàn)用樹脂SY-01 的成型平臺(tái)爬升速度和最大填充直徑的關(guān)系，如表1所示。

表1 速度和樹脂填充半徑表Tab.1 Velocity and Resin Filling Radius Table

3.2 確定每層切片圖像的速度

在前文中標(biāo)定的成型平臺(tái)的爬升速度和最大填充面積（直徑）的關(guān)系是為得到每層的切片圖像對(duì)應(yīng)的成型平臺(tái)爬升速度做標(biāo)準(zhǔn)。得到每層切片圖像對(duì)應(yīng)爬升速度的其具體方法為：

（1）利用OpenCv 中的cvContourArea（）等相關(guān)函數(shù)來計(jì)算得到該層圖像所有輪廓中的最大輪廓的面積。（2）根據(jù)前面標(biāo)定的成型平臺(tái)的爬升速度和最大填充面積（直徑）的關(guān)系和前文中得到該層圖像中最大輪廓面積，初步確定該層的速度。（3）通過分析二維圖像中的輪廓數(shù)目，以及輪廓的面積和周長(zhǎng)的比值等，得到該層的復(fù)雜度。（4）綜合考慮最大輪廓面積和該層的復(fù)雜度，確定該層的速度，從而得到所有切片圖像層的速度。

因?yàn)樵趯?duì)于大多數(shù)加工件來說，其橫截面積和復(fù)雜度的情況都是連續(xù)變化的，一般連續(xù)幾十層或上百層都有著相同的速度，所以速度變化平緩。

4 掩膜圖像灰度處理

第一部分能量模型中提到，成型平臺(tái)不同的爬升速度下需要不同的光輻照度值。在成型過程中如何改變照射到樹脂盤底面的輻照度值，專利[12]中提到了一種利用PWM 調(diào)節(jié)電流對(duì)投影機(jī)光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法。但是，該方法不能在成型過程中實(shí)時(shí)改變光強(qiáng)大小，并且增加額外硬件成本。提出一種利用灰度圖像，間接改變投影機(jī)輻照度值的方法。

4.1 標(biāo)定圖像灰度與光輻照度之間的關(guān)系

使用灰度圖像，需要確立掩膜圖像灰度與光輻照度之間的關(guān)系。使用第五部分搭建的CLIP 工藝平臺(tái)，對(duì)掩膜圖像灰度和光輻照度的關(guān)系進(jìn)行測(cè)定。首先通過OpenCV 生成以5 為間隔，灰度值從（255～100）的一系列單通道8 位灰度圖像，然后使用UV V-B 紫外線輻照計(jì)，依次對(duì)不同灰度下對(duì)應(yīng)的輻照度進(jìn)行測(cè)量，得到數(shù)據(jù)后并利用Matalab 進(jìn)行擬合得到曲線，如圖6 所示。

圖6 灰度和輻照度關(guān)系Fig.6 Relation of Gray and Irradiance

輻照度和灰度之間的關(guān)系可以近似看成線性關(guān)系，或者用更高次多項(xiàng)式對(duì)樣本點(diǎn)進(jìn)行擬合得到更精確的關(guān)系。總之，光強(qiáng)值隨著灰度的值的增大而減小。因此，將投影機(jī)的光輻照度調(diào)整到成型過程中所需的最大光強(qiáng)值，通過改變掩膜圖像的灰度值來間接改變投影機(jī)照射到樹脂盤底部的光輻照度值大小以保證最佳固化效果。

4.2 獲取加工文件

成型過程中的加工文件包括，每層對(duì)應(yīng)的成型平臺(tái)爬升速度，所需的灰度值，曝光時(shí)間。

得到加工文件的具體方法如下：

（1）根據(jù)前面方法規(guī)劃的各層切片圖像的速度，再依據(jù)第二部分中速度和輻照度的關(guān)系，得到每層掩膜圖像所需的輻照度值。

（2）根據(jù)得到的各層切片所需輻照度大小，利用前文中已標(biāo)定的輻照度和掩膜圖像灰度值的關(guān)系，再得到掩膜圖像所需的灰度值。

（3）最后，根據(jù)切片的厚度和所規(guī)劃的該層圖像的對(duì)應(yīng)的爬升速度得到該層掩膜圖像曝光時(shí)間。其計(jì)算公式如下：

式中：Thickness—切片厚度；vclimb—該層對(duì)應(yīng)的成型平臺(tái)的爬升速度。

5 實(shí)驗(yàn)

建立原型機(jī)來驗(yàn)證上述的變速運(yùn)動(dòng)方法。

5.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

變速CLIP 系統(tǒng)的設(shè)備，如圖7 所示。PC 作為上位機(jī)，與機(jī)電控制板卡相連；投影機(jī)和減速電機(jī)與機(jī)電控制板卡相連。上位機(jī)的指令通過機(jī)電控制板卡控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和投影機(jī)的開關(guān)。加工臺(tái)面上有雙層樹脂盤，雙層樹脂盤的底部作為密封的氣室，通入純氧，上下通過高透UV 光和高透氧的TEFLON AF2400 膜隔開，上面是裝有光敏樹脂的樹脂盤。樹脂盤上方設(shè)置工件成型平臺(tái)，并通過橫梁與線性滑臺(tái)相連，電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性滑臺(tái)帶動(dòng)工件成型平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)。投影機(jī)和PC 通過VGA 相連，進(jìn)行傳輸圖像數(shù)據(jù)。變速CLIP 工藝的軟件系統(tǒng)是利用C++語(yǔ)言在Microsoft Visual 2010 編譯器下編寫完成的。軟件系統(tǒng)集合了將三維模型的切片產(chǎn)生掩膜圖像模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和光學(xué)投影模塊，并能使圖像投影與Z軸運(yùn)動(dòng)同步。變速CLIP 軟件系統(tǒng)加工流程，如圖8 所示。

圖7 原型機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experimetal Protype

圖8 控制軟件算法流程圖Fig.8 Algorithm Flow Charts of Control Software

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的掩膜圖像生成模塊是美國(guó)德州儀器公司的DLP R LightCrafterTM4500 投影機(jī)開發(fā)模塊，分辨率為（1280×800），X，Y 方向最大加工尺寸（64×40）mm，實(shí)驗(yàn)材料采用前面提到的SY-01 樹脂，加工使用的分層厚度是0.05mm。

5.2.1 加工效率分析

為驗(yàn)證該變速CLIP 工藝方法能有效提高加工效率，設(shè)置了傳統(tǒng)勻速CLIP 工藝方法和變速CLIP 工藝方法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。對(duì)測(cè)試模型進(jìn)行加工，如圖9 所示。在保證成型穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)勻速CLIP 工藝取成型速度為0.0117mm/s，成型的時(shí)間為35min；利用變速CLIP 工藝成型時(shí)間為16min?？梢钥闯龌趫D像灰度處理的變速CLIP 方法在成型效率上提高了55%。

圖9 勻速與變速CLIP 工藝的效率對(duì)比模型Fig.9 Efficiency Comparison Model of Constant Speed and Variable Speed CLIP Proces

5.2.2 表面質(zhì)量分析

為了觀察微觀結(jié)構(gòu)，利用天準(zhǔn)VMA2515 影像測(cè)量?jī)x觀察傳統(tǒng)約束液面面成型工藝，勻速CLIP 工藝，變速CLIP 工藝表面加工質(zhì)量的區(qū)別。傳統(tǒng)約束液面面工藝加工表面質(zhì)量，如圖10（a）所示。該工藝的層與層之間是通過樹脂不完全固化相互膠合在一起的，所以，在影像儀下有著明顯的層層累加的效果。勻速CLIP工藝，如圖10（b）所示。變速CLIP 工藝的成型效果，如圖10（c）所示。它們都是通過Z 軸是連續(xù)的運(yùn)動(dòng)成型的，無(wú)分層現(xiàn)象，有著更高的表面質(zhì)量。并且從這里可以看出，變速CLIP 工藝相對(duì)于勻速的CLIP 工藝來說表面質(zhì)量相差不大。說明該方法能在保證加工質(zhì)量的情況下，能進(jìn)一步提高加工效率。

圖10 三種工藝方法微觀表面形態(tài)的對(duì)比Fig.10 Comparison of Microscopic Surface Morphology of Three Processes

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)CLIP 工藝過程中樹脂流動(dòng)和樹脂固化性能之間的矛盾，提出了一種變速運(yùn)動(dòng)的解決方案，能最大程度的利用樹脂的流動(dòng)性能和固化性能來提高加工效率。根據(jù)簡(jiǎn)化的能量模型，提出一種標(biāo)定成型平臺(tái)的爬升速度和光輻照度關(guān)系的方法。為了充分利用樹脂的流動(dòng)性能，提出了一種基于模型信息速度規(guī)劃方法?；谳椪斩群蛨D像灰度的關(guān)系，在軟件層面上通過對(duì)掩膜圖像灰度處理實(shí)現(xiàn)光輻照度的改變，相比于傳統(tǒng)的通過PWM 控制光輻照度的方法，可以實(shí)時(shí)改變投影機(jī)投射掩膜圖像的輻照度，并省去了額外的硬件實(shí)現(xiàn)，降低了設(shè)備成本。最終的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：在不犧牲成型精度的情況下，采用變速CLIP 工藝能有效提升成型效率50%以上。