基于全反射原理高精度光固化成型设备*

邓旭秋，朱珊珊，杨 峰

（常州工业职业技术学院 现代装备制造学院，江苏 常州 213164）

数字光处理（DLP）技术是增材制造（AM）的代表技术之一[1，2]。DLP 打印方式主要是通过图案化紫外光的手段来逐层固化光敏树脂，经过层层固化累计后从而打印出立体模型[3，4]。光学引擎（紫外光成像系统）设置于光敏树脂成型槽（液槽）的下方（或上方），通过光学（光路）设计，使其成像面正好位于液槽的底部（或光敏树脂的上液面）。通过图案化的紫外光照射光敏树脂，光敏树脂在吸收了足够光子之后，光敏剂将能量转移给光引发剂，引发光聚合成型，单次可固化一层特定厚度及形状的光敏树脂[5]。液槽固定在一个运动机构（丝杠）上，每次曝光完成后向上提升单层高度，使得当前完成光固化的立体模型与液槽底面分离，通过逐层曝光的方式并层层叠加来完成三维实体的打印过程[6，7]。DLP 在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构和复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势：即设备简单、成本低、可使用材料种类多和无需掩模或模具直接成形[8，9]。

目前常采用紫外光从下至上垂直照射在光敏树脂上实现面光固化成型，此种设置的缺陷在于：因为光敏树脂的表面张力，成型零件已固化的部位必然会粘附残留的光敏树脂，如图1 所示，当紫外线入射光6 沿垂直方向通过作用点7 后，部分紫外光照射成型零件悬空结构上残留的光敏树脂（特别是凹槽结构），引发光固化成型，在零件表面固化滴状物（图1B）或封闭凹槽结构（图1A），经过累计光照后，超过光敏树脂的固定阈值，出现不受控的光固化现象。降低成型零件的表面质量，影响成型零件的成型精度[10-12]。

本文基于全反射原理搭建了一套光固化成型设备，该光固化成型设备采用将光学引擎倾斜设置，使向液槽内投射的紫外线入射光倾斜一定的角度，即投射向光敏树脂入射光的入射角≥临界角，利用在光敏树脂上液面处发生全反射，从而避免有剩余紫外透过光敏树脂，提高光固化成型的精度。其中，光敏树脂相对于空气属于光密介质，使紫外光在光敏树脂的上液面处发生全反射，利用在光敏树脂液面处的全反射从而避免有剩余紫外透过光敏树脂。因为光敏树脂的表面张力，会有部分光敏树脂残留在成型零件已经固化的部分，使剩余的紫外光与残留的光敏树脂不发生相互作用，使紫外光的固化作用控制在一定的范围内，提高对光固化过程的控制，达到提高打印精度的目的。

1 基于全反射原理的光固化成型设备设计

图1 紫外光从下至上垂直投影光固化原理图

图2 基于全反射原理的光固化成型设备的原理图

基于全反射原理的光固化成型设备的原理图，如图2 所示，该成型设备包括：液槽1，用于容纳光敏树脂5；液槽的槽底设有高透光率光学玻璃2，紫外透过底部光学玻璃照射在间隙的树脂上；运动机构（丝杠）3，用于固定液槽，所述运动机构位于液槽的上方；光学引擎用于投射出紫外入射光6，光学引擎系统设置在透光玻璃的下方，并且倾斜设置。使向液槽内投射的紫外入射光倾斜，入射光穿过透光玻璃固化液槽内的光敏树脂。紫外光机系统输出的入射光在光敏树脂的液面上表面处产生全反射。即光学引擎投射的入射光6 从光敏树脂射入到空气中时，光敏树脂与空气相比较，属于光密介质。可以使紫外光在光敏树脂的上液面处发生全反射，利用在光敏树脂液面处的全反射从而避免有剩余紫外光透过光敏树脂。光敏树脂具有较大的表面张力，会使部分光敏树脂吸附并残留在已经固化的成型零件上。通过紫外光发生全反射，使剩余的紫外光与残留的光敏树脂不发生相互作用，控制紫外光的固化范围，提高对光固化过程的控制。图2 中液位计9 的作用是控制液槽中光敏树脂的液面高度，确保液槽中的树脂保持最低液面高度且能得到迅速补充，精准的控制全反射的发生位置。

本文搭建的光固化成型设备基于全反射原理，其打印工作流程如下：如图2 所示，首先在液槽1 内设置液面高度控制装置9，用于控制液槽内的光敏树脂的液面高度，单次向液槽1 内注入一定量的光敏树脂，补给量与当前待成型三维产品4 固化一层所需的光敏树脂量相同。接着开启光学引擎系统从下至上向液槽1 内投射图案化的紫外线入射光6，紫外线入射光6 与液槽倾斜成一定的角度（入射角≥临界角），使位于液槽1 内的单层层高内的光敏树脂待固化层固化。部分剩余紫外入射光7 在液态光敏树脂的上液面处发生全反射，使剩余的紫外光与残留的光敏树脂不发生相互作用，控制紫外光的光固化作用范围，提高光固化打印方式的打印精度。其中，液槽1 固定在一个运动机构（丝杠）3 上，每次曝光完成后向上提升固化单层的高度，使得当前完成光固化的立体模型与液槽底面分离，再次由液面高度控制装置9 实现向液槽1 内补给下一层光固化所需的液态光敏树脂，开启新一层的打印过程，通过逐层曝光方式并层层叠加来完成三维实体的打印过程。

2 试验结果与讨论

图3 光固化成型零件

根据全反射原理设计的技术方案，搭建了光固化成型设备并进行实验验证，光学引擎的紫外波长为385nm，光敏树脂的吸收峰为360～380nm，取得了一些实验成果，如图3 所示。从图3a 成型零件上可以很清晰的看到上面的微流道，微流道的宽度为1mm，无堵塞现象，并且微流道内腔非常光滑；图3b 的成型零件十字方块中间的缝隙的宽度为0.7mm，缝隙清晰可见，缝隙侧壁非常光滑，没有因为光敏树脂的残留固化堵塞缝隙；图3c 是一个打印的肝脏形状，透过光线，可以清晰的看见内部的每一个微流道，实验结果表明，基于全反射原理提高成型效果的光固化成型设备的成型精度非常高。

3 结论

本文解决了现有技术中的光固化成型设备中采用将紫外光垂直投射至光敏树脂上，部分透过光敏树脂的剩余紫外光对已打印完成的零件上所残留的光敏树脂产生固化作用，固化出额外的滴状物，影响光固化成型方式打印精度的问题。搭建了一台基于全反射原理的光固化成型设备，采用向液槽内投射倾斜的紫外线入射光，提高光固化成型的打印精度。即投射向光敏树脂入射光的入射角≥临界角，利用在光敏树脂上液面处的全反射，从而避免有剩余紫外光透过光敏树脂。避免对待成型三维产品上已固化部分上残留的光敏树脂产生固化作用，实现了对紫外光作用范围的控制，加强对光固化打印方式过程的控制，提高了光固化零件的打印精度。