光敏树脂涂层技术控制

 立体光固化技术实质上是由激光层固化和涂层技术不断重复, 因此涂层技术(Recoating technology) 也是立体光固化成型的重要步骤之一. 涂层技术是为了确保激光扫描前在已经固化层上铺洒一层均匀层厚的光敏树脂, 并且保持液面稳定. 立体光固化技术使用的光敏树脂材料, 是一种高分子聚合物, 特点是粘度大、流动性差、固化后表面张力大.如果只依靠光敏树脂液位恢复时的自由流动, 鉴于表面张力和流动性差等原因, 很难在先前固化层表面自动覆盖一层光敏树脂, 特别是纹理比较复杂和大面积范围涂层显得更加明显, 材料无法覆盖使得模型精度难以保证, 甚至造成模型的损坏. 因此, 涂层技术的运用是立体光固化技术成型精度和效率要求的可靠保障.

 20 世纪90 年代末, 3D Systems 公司提出了立体光固化技术, 涂层技术随之产生。该公司设计了一种自由液面刮板涂层技术, 每层固化后, 计算机控制托盘多下降一段距离, 光敏树脂可在短时间内完全淹没固化表面, 然后控制托盘提升到高于液面位置, 利用刮板将多余光敏树脂刮除, 使剩余层厚更接近设定的期望层厚. 然而, 由于托盘下降的原因, 这种控制方式容易产生气泡, 并且模型几何形状不同以及光敏树脂的粘度高, 刮板会产生严重的光敏树脂拖拽现象, 导致精度不高. 随后, 3D Systems 公司改进了这一方案解决了刮板拖拽现象, 设计了一种带开口和三叉戟的刮板, 控制刮板通过速度, 使拖拽现象缓解. 但是两种设计将不可避免产生“回冒”现象,即由于惯性的作用, 使得多余被刮走的光敏树脂在刮板上涌起波浪. 1996年3D Systems公司推出的SLA-350改变了树脂涂层方法, 采用真空吸附式涂层刮板结构和涂层系统(ZephyrTM recoating system)[70]. 文献利用了一种真空吸附式涂层技术, 装置包括微型真空泵、含

液式涂层板等部件, 这种控制方式托板下降一层厚距离, 计算机控制真空泵吸附的光敏树脂量, 均匀铺洒在已固化模型表层, 提高了树脂涂层效率, 在计算机行程控制下步进电机带动含液涂层板的涂敷动作, 通过皮带轮沿不锈钢导轨运动, 可以实现不同速度、不同位移的涂层运动. 为进一步实现涂层运动参数的优化提供了可能, 采用该方法涂层厚度最小可以达到0.025 mm, 并且可以有效地避免气泡的产生.文献设计了新的掩膜图像投影光固化过程, 该技术提出了数字材料制造工艺, 可在光固化技术中使用多材料成型, 提出了一种新的双通道设计, 大大降低了固化层与树脂的分离力, 采用两级树脂清洗策略(粗糙清洗、精细清洗) 和涂层技术结合的方法,避免多材料树脂相互污染, 该工艺可以用在两种及以上材料混合成型。

 国内的西安交通大学研制出一种瀑布式光敏树脂涂层装置, 如图8所示，该设计方法在模型打印过程中, 由于光敏树脂的体积固化收缩,每固化一层后, 托盘下降一层, 刮板涂层喷头完成树脂涂层,即通过控制喷头流量及其移动来完成固化表面的树脂补充. 整个过程中, 喷头仅完成光敏树脂补充作用, 此时涂层厚度略大于固化所需厚度, 再通过专门设计的刃口形状刮板刮走多余树脂, 达到平稳液面作用。同时, 该涂层控制方法也指出其不足之处, 即装置工作时需要提高刮削速度, 但这一措施使得刮板上堆积的树脂来不及回流扩散。

 涂层技术的速度和参数控制是重要的部分. 在速度控制上, 如果涂层速度慢, 虽然精度上能够满足模型打印的条件, 在涂层时间等待过程中激光器一直维持打开的状态, 这样会降低激光器使用寿命;如果速度过快, 涂层过程将形成“后跟(Heel)”问题, 如图9所示。文献采用3D Systems 公司SLA-250, 光敏树脂采用Cibatool SL 5170 作为研究对象, 发现立体光固化3D 打印机的运行速度往往比厂家设定的速度更高, 而不会引起模型精度损失。

未完待续；