连续3D打印光固化技术中的约束窗口设计

供稿人：王永辉，连芩
供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

近年来连续液体界面成型（CLIP）技术被提出，投影机无缝地投影一系列切片图像(切片视频)时，零件可以从液体树脂中连续被拉出。这种连续打印工艺的制造速度可以比传统的逐层打印方法快一个数量级，而且可以消除逐层打印结构中常见的“楼梯效应”，在这种连续打印的过程中，液体界面(在平台和树脂缸之间的一层未固化的液体树脂)是至关重要的。这种液体界面可以通过氧阻聚和连续液体填充等方法来维持。例如，在CLIP过程中使用了一个高透氧窗口(100 um厚的特氟隆薄膜)，其氧阻聚层的厚度可达120 um，在连续固化分离过程中，也为打印平台下的树脂快速补充提供了空间。

然而，特氟隆薄膜材料易因拉伸失败、折痕等缺点影响CLIP的打印效率。考虑到PDMS（聚二甲基硅氧烷）具有高弹性和透气性，并且是廉价和可靠的材料，许多科学家使用约束窗为PDMS涂层玻璃板，这种PDMS/玻璃层状约束表面具有刚性和弹性，消除了薄膜拉伸和机械夹紧的需要。另外，涂在刚性玻璃板上的较厚(1- 2mm) PDMS膜具有抗压作用。但是PDMS/玻璃层这种结构提供的抑氧层厚度仅为2.5 um，不足以进行连续液体界面成型，目前的树脂缸窗口设计仍面临着诸多挑战，如复杂的控制机制和有限的硬件寿命。

图1 岛窗(IW)式约束窗结构

来自伊利诺伊大学芝加哥分校机械与工业工程、电气与计算机工程系的Yizhou Jiang[1]，开发了一种新颖的约束窗设计如图1所示，即岛窗(IW)。这种设计相较于PDMS涂层玻璃板的区别是：玻璃板只有中间的岛窗提供约束，岛窗四周由激光加工成镂空，并且在这些镂空处填满PDMS并覆盖整个约束窗，待PDMS固化后，这些镂空区域会提高氧气的通量，这使得形成一个有效的液体界面(大于200 um氧阻聚层)，可以进行连续液体界面成型。实验结果验证了窗口设计的可行性，使得打印效率最高能够提升73%。其研究还发现，对于具有光滑表面(Rz<30 um)的零件，最大打印速度可达90 mm/h。此外，利用所提出的IW设计，通过连续3D打印成功制造了各种部件，这意味着未来低成本、高分辨率、易于控制和超快AM工艺的巨大前景。

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