光敏樹脂涂層技術控制
立體光固化技術實質上是由激光層固化和涂層技術不斷重復, 因此涂層技術(Recoating technology) 也是立體光固化成型的重要步驟之一. 涂層技術是為了確保激光掃描前在已經固化層上鋪灑一層均勻層厚的光敏樹脂, 并且保持液面穩定. 立體光固化技術使用的光敏樹脂材料, 是一種高分子聚合物, 特點是粘度大、流動性差、固化后表面張力大.如果只依靠光敏樹脂液位恢復時的自由流動, 鑒于表面張力和流動性差等原因, 很難在先前固化層表面自動覆蓋一層光敏樹脂, 特別是紋理比較復雜和大面積范圍涂層顯得更加明顯, 材料無法覆蓋使得模型精度難以保證, 甚至造成模型的損壞. 因此, 涂層技術的運用是立體光固化技術成型精度和效率要求的可靠保障.
20 世紀90 年代末, 3D Systems 公司提出了立體光固化技術, 涂層技術隨之產生。該公司設計了一種自由液面刮板涂層技術, 每層固化后, 計算機控制托盤多下降一段距離, 光敏樹脂可在短時間內完全淹沒固化表面, 然后控制托盤提升到高于液面位置, 利用刮板將多余光敏樹脂刮除, 使剩余層厚更接近設定的期望層厚. 然而, 由于托盤下降的原因, 這種控制方式容易產生氣泡, 并且模型幾何形狀不同以及光敏樹脂的粘度高, 刮板會產生嚴重的光敏樹脂拖拽現象, 導致精度不高. 隨后, 3D Systems 公司改進了這一方案解決了刮板拖拽現象, 設計了一種帶開口和三叉戟的刮板, 控制刮板通過速度, 使拖拽現象緩解. 但是兩種設計將不可避免產生“回冒”現象,即由于慣性的作用, 使得多余被刮走的光敏樹脂在刮板上涌起波浪. 1996年3D Systems公司推出的SLA-350改變了樹脂涂層方法, 采用真空吸附式涂層刮板結構和涂層系統(ZephyrTM recoating system)[70]. 文獻利用了一種真空吸附式涂層技術, 裝置包括微型真空泵、含
液式涂層板等部件, 這種控制方式托板下降一層厚距離, 計算機控制真空泵吸附的光敏樹脂量, 均勻鋪灑在已固化模型表層, 提高了樹脂涂層效率, 在計算機行程控制下步進電機帶動含液涂層板的涂敷動作, 通過皮帶輪沿不銹鋼導軌運動, 可以實現不同速度、不同位移的涂層運動. 為進一步實現涂層運動參數的優化提供了可能, 采用該方法涂層厚度最小可以達到0.025 mm, 并且可以有效地避免氣泡的產生.文獻設計了新的掩膜圖像投影光固化過程, 該技術提出了數字材料制造工藝, 可在光固化技術中使用多材料成型, 提出了一種新的雙通道設計, 大大降低了固化層與樹脂的分離力, 采用兩級樹脂清洗策略(粗糙清洗、精細清洗) 和涂層技術結合的方法,避免多材料樹脂相互污染, 該工藝可以用在兩種及以上材料混合成型。
國內的西安交通大學研制出一種瀑布式光敏樹脂涂層裝置, 如圖8所示，該設計方法在模型打印過程中, 由于光敏樹脂的體積固化收縮,每固化一層后, 托盤下降一層, 刮板涂層噴頭完成樹脂涂層,即通過控制噴頭流量及其移動來完成固化表面的樹脂補充. 整個過程中, 噴頭僅完成光敏樹脂補充作用, 此時涂層厚度略大于固化所需厚度, 再通過專門設計的刃口形狀刮板刮走多余樹脂, 達到平穩液面作用。同時, 該涂層控制方法也指出其不足之處, 即裝置工作時需要提高刮削速度, 但這一措施使得刮板上堆積的樹脂來不及回流擴散。
涂層技術的速度和參數控制是重要的部分. 在速度控制上, 如果涂層速度慢, 雖然精度上能夠滿足模型打印的條件, 在涂層時間等待過程中激光器一直維持打開的狀態, 這樣會降低激光器使用壽命;如果速度過快, 涂層過程將形成“后跟(Heel)”問題, 如圖9所示。文獻采用3D Systems 公司SLA-250, 光敏樹脂采用Cibatool SL 5170 作為研究對象, 發現立體光固化3D 打印機的運行速度往往比廠家設定的速度更高, 而不會引起模型精度損失。
未完待續；
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