連續(xù)3D打印光固化技術(shù)中的約束窗口設(shè)計(jì)

供稿人：王永輝,，連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來(lái)連續(xù)液體界面成型（CLIP）技術(shù)被提出,，投影機(jī)無(wú)縫地投影一系列切片圖像(切片視頻)時(shí)，零件可以從液體樹(shù)脂中連續(xù)被拉出,。這種連續(xù)打印工藝的制造速度可以比傳統(tǒng)的逐層打印方法快一個(gè)數(shù)量級(jí),，而且可以消除逐層打印結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的“樓梯效應(yīng)”，在這種連續(xù)打印的過(guò)程中,，液體界面(在平臺(tái)和樹(shù)脂缸之間的一層未固化的液體樹(shù)脂)是至關(guān)重要的,。這種液體界面可以通過(guò)氧阻聚和連續(xù)液體填充等方法來(lái)維持。例如,，在CLIP過(guò)程中使用了一個(gè)高透氧窗口(100 um厚的特氟隆薄膜),，其氧阻聚層的厚度可達(dá)120 um，在連續(xù)固化分離過(guò)程中,，也為打印平臺(tái)下的樹(shù)脂快速補(bǔ)充提供了空間,。

然而，特氟隆薄膜材料易因拉伸失敗,、折痕等缺點(diǎn)影響CLIP的打印效率,。考慮到PDMS（聚二甲基硅氧烷）具有高彈性和透氣性,，并且是廉價(jià)和可靠的材料,，許多科學(xué)家使用約束窗為PDMS涂層玻璃板，這種PDMS/玻璃層狀約束表面具有剛性和彈性,，消除了薄膜拉伸和機(jī)械夾緊的需要,。另外，涂在剛性玻璃板上的較厚(1- 2mm) PDMS膜具有抗壓作用,。但是PDMS/玻璃層這種結(jié)構(gòu)提供的抑氧層厚度僅為2.5 um,，不足以進(jìn)行連續(xù)液體界面成型，目前的樹(shù)脂缸窗口設(shè)計(jì)仍面臨著諸多挑戰(zhàn),，如復(fù)雜的控制機(jī)制和有限的硬件壽命,。

圖1 島窗(IW)式約束窗結(jié)構(gòu)

來(lái)自伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校機(jī)械與工業(yè)工程,、電氣與計(jì)算機(jī)工程系的Yizhou Jiang[1]，開(kāi)發(fā)了一種新穎的約束窗設(shè)計(jì)如圖1所示,，即島窗(IW),。這種設(shè)計(jì)相較于PDMS涂層玻璃板的區(qū)別是：玻璃板只有中間的島窗提供約束，島窗四周由激光加工成鏤空,，并且在這些鏤空處填滿PDMS并覆蓋整個(gè)約束窗,，待PDMS固化后，這些鏤空區(qū)域會(huì)提高氧氣的通量,，這使得形成一個(gè)有效的液體界面(大于200 um氧阻聚層),，可以進(jìn)行連續(xù)液體界面成型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了窗口設(shè)計(jì)的可行性,，使得打印效率最高能夠提升73%,。其研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于具有光滑表面(Rz<30 um)的零件,，最大打印速度可達(dá)90 mm/h,。此外，利用所提出的IW設(shè)計(jì),，通過(guò)連續(xù)3D打印成功制造了各種部件,，這意味著未來(lái)低成本、高分辨率,、易于控制和超快AM工藝的巨大前景,。

參考文獻(xiàn)：
Constrained Window Design in Projection Stereolithography for Continuous Three-Dimensional Printing[J].3D Printing and Additive Manufacturing,2020, 7 (4): 163-169.