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)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

近年來連續(xù)液體界面成型（CLIP）技術(shù)被提出，投影機(jī)無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)中常見的“樓梯效應(yīng)”，在這種連續(xù)打印的過程中，液體界面(在平臺(tái)和樹脂缸之間的一層未固化的液體樹脂)是至關(guān)重要的。這種液體界面可以通過氧阻聚和連續(xù)液體填充等方法來維持。例如，在CLIP過程中使用了一個(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)固化分離過程中，也為打印平臺(tái)下的樹脂快速補(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�？紤]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)，通過連續(xù)3D打印成功制造了各種部件，這意味著未來低成本、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.