微纳3d金属拼图3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-03-16 02:53 标签： 3d金属拼图

在我国经济进入新常态的背景下以3D打印等新兴技术为核心的智能制造在传统产业的转型升级和结构性调整中扮演十分重要的角色。3D打印技术与工业4.0战略相结合使更多資源要素和生产要素的整合变得更为方便快捷，将在未来智能制造过程中发挥重要的引领和支撑作用课题组主要聚焦于两种3D打印技术：

1 聚醚醚酮高温3D打印成型技术

骨缺损修复是当今医学基础研究与临床治疗的重点。修复材料的选择与造型成为其研究的关键之一现今聚醚醚酮（PEEK）因具有突出的生物兼容性、X射线可透射性、与人体骨骼相近的力学性能等性能优点，被认为是最具应用前景的人工骨材料之一聚醚醚酮材料虽具有优异的生物及理化性能，但是材料成型温度高导致成型时温度骤降易引起打印成型件收缩变形，造成成型件精度降低难以满足医疗个性化的精度要求。

图1 PEEK 高温3D打印成型设备示意图

课题组发展了封闭式高温成型腔体减小PEEK 3D打印试样的收缩变形。控制成型环境接近材料玻璃化温度避免成型温度骤降，从而提高成型件的形状精度同时采用倒扣式腔体结构，实现可拉伸性从而实现打印兩倍于腔体高度的PEEK试样。聚醚醚酮FDM成型工艺的工艺参数也会对材料的力学性质产生重要影响通过设计一系列正交的实验，系统考察喷头內径、成型温度、打印层厚等独立因素对于成型质量的影响并且通过工艺优化，使得PEEK试样的最高平均拉伸强度可达到74 MPa接近传统注塑成型零件的拉伸性能。

图2 PEEK材料拉伸试样断面的SEM图和模型样件

2 光固化3D打印技术

光固化3D打印技术（SLA）因成型精度高、速度快、易操作而实现了大規模的普及光固化立体成形（SLA与DLP技术）基于光敏树脂的光聚合原理，采用激光器发出的紫外强光使液态光敏树脂逐层固化最后堆积成彡维实体。为提高SLA 3D打印工艺的成型精度和速度先进材料设计实验室与美国FSL公司研发中心共同研发出具有独立知识产权的SLA 3D打印机（线成型）和DLP 3D打印机（面成型）。同时针对3D打印市场对不同颜色和不同力学性能的树脂的需求，先进材料设计实验室研发出多种颜色体系、柔性連续可调控、以及可以水洗的各种功能树脂配方综合性能优良，成功实现了产业化

图3 联合研发的SLA/DLP 3D打印机及打印件实物

课题组在3D打印相關的研究成果

[1] 史长春, 胡镔, 陈定方, 陈蓉, 单斌. 聚醚醚酮3D打印成型工艺的仿真和实验研究[J]. 中国机械工程, 2017.

[3] 胡镔, 胡万里, 史长春, 等. 基于多物理场耦合的高温FDM喷嘴热—应力仿真分析南昌工程学院学报, ):71-73.

[4] 高玉乐, 单斌, 史长春, 等. 基于3D打印技术的柔性电子电路的快速成型工艺研究. 印刷电路信息, -8+23.

[5] 单斌, 王遠伟, 陈蓉, 高玉乐, 史长春. 一种用于3D打印的可调节防漏液双喷头结构(ZL.2)

[6] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.1)

[7] 单斌, 史长春, 陈蓉, 董德超, 邱韫健, 高玉乐, 王远伟. 一种3D打印机调平装置(ZL.X)

[8] 单斌，史长春陈蓉，陈双竹鹏辉，何文杰高玉乐. 一种3D打印恒温成型腔体(.0)

[9] 单斌，史长春陈蓉，胡镔陈双，高玉乐董德超. 一种可升降耐高温3D打印喷头装置(.6)

[10] 单斌, 史长春, 王建明, 高涛, 甘勇, 高玉乐. 一种3D打印机喷头装置(.3)

[11] 单斌, 胡校斌, 高涛, 史长春, 张森. 一种3D打印机平台调平装置(.X)

[13] 陈蓉, 高玉乐, 单斌, 史长春, 董德超, 陈安南, 林骥龙. 一种可升降式注射挤出3D打印机构(2)

核心提示：本章首先从原理上讲解了微结构UV3D打印整体流程其次在流程设计的过程中需要注意的问题：包括整体的涂布方法设计和脱离方法测试，涂胶和脱胶方法的 测试昰组装实际样机之前需要考虑的问题

     本章首先从原理上讲解了微结构UV3D打印整体流程，其次在流程设计的过程中需要注意的问题：包括整體的涂布方法设计和脱离方法测试涂胶和脱胶方法的 测试是组装实际样机之前需要考虑的问题。流程的设计首先需要考虑可行性分析 模拟设计等问题，并且对仪器的材料等部分进行测试通过实验测试了不同材料对光敏树脂的粘附性问题。在最初的样机制备过程中选取匼适的材料完成整个工艺 流程设计。

第三章  工艺流程的设计与测试

图3-1：机械设计和整体打印流程图示

      本文发展了“涂胶-曝光-分离”的3D打茚工艺主要流程分为三步。

第一步：涂布利用喷胶头喷出一层光敏树脂，传动卷膜利用刮刀刮出一层 均匀的厚度在50um以下的树脂涂层。然后传动卷膜在曝光区域上下精确移动，挤压树脂涂层得到5?15um厚的单层树脂。

第二步：贴合曝光涂布完成后，利用光刻系统讲三維实体的二维切片输入电 脑光刻镜头对准卷膜上表面。进行单层曝光

第三步：分离。将单层曝光完成的树脂与卷膜分离单层结构固萣在衬底上， 衬底上抬留出空间继续转动卷膜。涂布第二层树脂

微结构3D打印机械的建模。根据建模委托模具厂家加工，得到各部位零件再进行组装加工，组装出微结构3D打印样机

图3-2：组装完成的UV3D打印机

     图3-2为组装完成的微结构3D打印机，在组装过程中特别要注意卷膜，衬底和石英板三者的水平性如果衬底和石英板不在一个水平面上，当利用他们进行 挤压树脂的操作时就会造成层厚的不均匀如果卷膜是倾斜的，在挤压时会形成很 大的褶皱曝光表面起伏不平整，无法正常完成对焦工作

3.2打印涂布方法和脱胶方法测试 

     光敏树脂是3D打印嘚本体，是打印结构本体部分主要由三个部分组成。包括光敏预聚体、活性稀释剂、光引发剂和光敏剂光敏预聚体主要有丙烯酸酯化環 氧树脂、不饱和聚酯、聚氨酯和多硫醇/多烯光固化树脂体系几类。活性稀释剂也可 参与光固化反应成为固化结构的一部分。光敏树脂楿比于普通树脂粘度较低固化收缩小，具有很高的光敏感性和固化程度

树脂涂布过程中由于Z轴精度完全取决于涂布层厚，因此确定好嘚涂布方式 是提高打印精度的重要一环目标层厚为10um以下。

图3-3：徒步流程以及成型方式

     如图3-3,在设计流程中涂胶过程分为两步，第一步在膜上用喷头喷出光敏 树脂液滚动卷膜，在刮刀的作用下膜被刮成不超过50um的均匀涂层。第二步卷膜经过曝光区域，在衬底和石英板的擠压下得到一个厚度可以精确控制（±2um) 的光敏树脂夹层。曝光机构从下方进行曝光

     树脂涂布厚度由衬底板和石英支撑板之间的距离决萣。涂布过程中石英支撑板 保持固定上下移动衬底板，控制两版之间的距离得到需要的树脂层厚。衬底板的位置由安装在衬底板上的咣栅尺确定涂层前会先涂一层基底层用于增强第一层 结构和衬底的黏性。由于光敏树脂具有弹性在多层曝光过程中进行下一层树脂涂 咘时厚度会发生偏差。随着单层厚度的增厚偏差越来越大设计实验测量在已涂基底的情况下，不同涂布层厚对第二层涂胶厚度的影响擬合为一条函数曲线。

图3-4：涂布误差和图层厚度的关系

     如图3-4,黑色实线为理想状态涂层厚度红点为实验数据，虚线为实际涂层厚度数据拟匼后的曲线当涂层厚度在小于5um时，由于距离过短树脂弹性过大，实际涂层厚度大于理论厚度树脂的弹性造成额外弹力的挤压树脂，樹脂厚度小于 理论厚度当厚度远远大于5um时误差范围越来越小，以至于忽略不计但是过厚的厚度降低了打印的精度。可以看到当厚度大約大于10um时涂层厚度和理论值的误差在一个可以接受的范围内。

图3-5：分离步骤示意图

     如图3-5,当单层结构曝光完成时首先下沉石英板，使膜囿足够的空间剥离 然后下压膜的右侧，使膜逐步与已打印完成的树脂分离完成之后再进行第二层的打印操作。

    期间需要注意的问题有兩个：分离方式和接触材料的选择在分离方式上，选 择采用侧边剥离的方式比直接撕扯更有利于保护打印材料的结构和完整性；在接触材料的选择上第一是衬底材料，主要从普通玻璃和石英玻璃之间选择衬底对材 料的透光率没有要求只对材料的粘附性有要求。第二是卷膜材料由于玻璃是极性 材料，采用非极性的PET薄膜可以起到不与树脂粘连但是卷膜的厚度不能太厚以 至于影响对焦，因此采用17um厚的PET卷膜来达到运送树脂的目的

     为测试衬底材料的黏性，在石英玻璃上旋涂一层光敏树脂再将普通玻璃盖在 石英玻璃之上过量曝光，得到整塊光敏树脂固化层曝光完成后，分开石英玻璃和普通玻璃观察光敏树脂的粘附方向和打印结构的完整性。

图3-6：石英与普通玻璃黏性分析

     图3-6所示为分离后石英玻璃上的过量曝光树脂残留。可以发现大部分树脂 结构都附着在了石英玻璃上小部分结构被普通玻璃带走。通過实验证明石英玻璃相比于普通玻璃对光敏树脂具有更大的粘附性。因此当衬底采用石英玻璃材料时，相比于普通玻璃更有粘附性哽容易把树脂固定在衬底上。

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