光成型技术在微小机械加工中的应用

lihenghe

引言
微小机械(micromachines)或微机电系统MEMS(microelectromechanicalsystems)是80年代兴起的一个边缘性、交叉性的高技术研究领域。自20世纪80年代以来，小型化、微型化成为机械进化的一个主要方向，因此，微小机械被美国、日本、德国等发达国家列为21世纪的重点发展学科。目前，国内外对微小机械的研究主要集中在微小机械理论、结构设计、微细加工工艺以及微小机械的应用探讨等方面[2-3]。
0 r+ X; V. I& E7 q: R5 }微小机械制造中常用的是半导体技术，半导体技术存在着：可制作的零件主要为平面型，难以形成三维复杂结构，难以实现空间机构制作，不能适应微机器人等高级微机械的制造要求；设备投资大；单件、小批生产成本高等问题。因此，各国都在探索制造三维复杂零件的新路子。
快速成型RPM(rapidPrototyping＆ manufacturing)技术是80年代后期发展起来的一项快速设计及加工技术[1]。快速成型加工的核心思想是将二维的实体分解成二维，逐层加工、堆积，最终形成原型。这种制造技术的最大优点是能快速地制造三维复杂零件，恰恰能弥补硅技术的不足。近几年，日本等国已开始进行将快速成型技术作为微小机械的微细加工工艺的探讨[4]，而关于光成型技术在微小机械加工中的应用研究，国内还未见研究报道。
本文报道关于光成型技术用于加工微小机械可能性的探讨结论，以及对微小机械光成型系统如下问题研究的进展[5]：
" N1 Q# \8 {$ R, a0 I(1)光成型方式、切片方式及数据格式、光束扫描方式、液面控制方式等特殊工艺问题；
* X. B5 F/ U$ F# ~5 x* F: V# D. r( m(2)系统构成及调试；(3)光成型工艺实验。
1 微小机械光成型加工的可能性及其特殊工艺问题
; d3 {1 Y# b5 ^3 a% z4 v' }  E& t1.1微小机械光成型加工的可能性
本文采用的微小机械定义为：总体尺寸约l立方厘米以下，零件最小长度在10微米左右，结构高度集成化，由计算机进行智能控制的机械。与普通的机械相比，微小机械在加工方面的特点是：尺寸小，要求高的加工分辨率(能够独立进行加工的两点间的最小距离)和大的加工自由度(可加工零件形状的复杂程度)。
下面将常用微细加工技术的分辨率、可加工形状及存在的主要问题等归纳为表1。
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: a2 Z- `9 x- }! [9 Z) w) V* t与表1所示的常用微细加工法相比较，由于光成型的分辨率可达2μm左右，且具有加工自由度大、零件可为任意复杂形状等特点，适合于微小机械的加工。
1.2微小机械光成型加工的特殊工艺问题
; v1 s) f8 A$ c9 d1 W, ]" ~(1)成型分辨率与固化单元
8 e3 _: C0 k3 Y/ c微机械加工中的一个重要指标是分辨率。在快速成型制造中，我们把它区分为扫描分辨率及成型分辨率。成型分辨率是指成型的最小单位；扫描分辨率则指扫描机构移动的最小距离。在微机械光成型系统中引人光固化单元的概念：光固化单元是指一个激光斑点照射在光敏树脂上所固化的树脂体积，固化单元越小，成型分辨率越高。
8 m# E  V1 H5 R(2)光成型与光束扫描方式
0 u! K9 B5 M! k, ]1 M光束扫描方式一般分为光栅扫描和矢量扫描两种。矢量扫报是线成型，成型分辨率低c光栅扫描是点成型，使激光束按一组平行光进行扫描，光束按开闭方式控制，以此来得到任意的三维形状。光栅扫描法易于控制及提高成型分辨率，但制作大型成型物的时间将大幅度增加。为提高成型分辨率，并克服扫描时间长的缺点，本系统采用改进的光栅扫描方式，其特点为：因光栅扫描式的加工时间与扫描面积大致成比例，为缩短加工时间，扫描路径按仅对加工物内部扫描设计；为消除扫描器的SACKRASH。采取如图l所示的同方向光栅扫描方式。光成型方式还有掩膜面固化等。作者将光成型方式、特点及所用光谱光源等归纳如表2所示。

  L0 w- h8 y: l本研究莱用与光固化单元相对应的点固化光成型方式，用紫外激光器为光源。
( k' }7 G0 \+ F2 g0 U% M- b(3)切片方式及数据格式
一般的RPM系统采用STL数据格式：先对CAD模型进行小二角形面模型的离散网格化逼近，生成与原三维实体近似的一系列小三角形数据信息的STL文件，再对STL文件进行切片处理。由于小二角形不可能完全表达实际曲面，会产生无法补偿的精度损失。此外， S丁L格式转换时会出现局部缺陷，有些缺陷较难以修复c本系统直接对CAD模型进行切片分层，采用BMP(bitmap：位图)数据格式。由于是直接切片，可避免类似STL法的逼近误差和描述缺陷的产生；而BMP数据格式与固化单元和光栅扫描方式直接对应，有利于提高固化单元精度。
(4)液面控制方式
, n8 X* |% H% v液面控制分自由液面式(一般的RPM系统采用自由液面式)和约束液面式两种，如图2所示。

& h4 Q! F) h- a8 G- m5 J9 v# o6 a自由液面式使光从上至下照射，工件向上生长。由于液面不受约束，在一层加工完之后需专用的液面刮平装置，工件会受到液面表面张力的影响，使垂直方向的液体厚度不宜控制，从而降低该方向的分辨率；而且每一层都暴露在大气中，易进入灰尘，也会降低分辨率。约束液面式将工件限制在基板与光窗之间，光束自下而上照射，工件则向下生长(3由于排除了液面表面张力的影响，有利于垂直分辨率的提高，适合于微小机械的制作。但这样也带来了每层固化后成型件与光窗不易分开，以及光窗会吸收一部分光能等问题(这些问题的解决将在2.2实验系统的构成及调试”中说明)。
1 L+ d9 [+ a  Z* [2 微小机械光成型系统
2.1光成型工艺系统
本文在对微小机械光成型特殊工艺问题研究的基础上，提出了适用于微小机械光成型的工艺系统，与通用的RPM系统比较，此工艺系统具有如表3所示的特点。
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1 A* c& I+ h4 z) F2 X# t: V2.2实验系统构成及调试
微小机械光成型实验系统的设计基于以下原则：设备构造力求简单化；包括激光器在内的所有成型设备零部件均采用国产品，以利于降低研制成本，开创微小型光成型系统国产化的路子。
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3 o5 I4 b; Y1 j( M/ K+ e微小机械光成型实验系统构成的框图如图3所示，图4为实验系统全貌照片，图5为激光器、工作台、光路系统和树脂槽等部分。实验系统各组成部分的构成、功能及规格等如表4所示。
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2 K0 a" C6 D( R4 R/ b
实验系统调试主要解决了如下问题：
(1)成型件与光窗的分离
采取在光窗表面涂复树脂的方法，并进行了光窗表面涂复材料种类及涂复分式的实验。涂复材料包括氟化物及硅化物等；涂复方式有树脂直接涂复、用树脂胶带或薄膜(统称为tape)粘贴等。涂复材料应具有透明性、分离性、耐热性等综合性能指标，涂复方式应简单易行。经过对比实验，确定了在光窗表面粘贴Teflon(聚四氟乙烯)tape的最适宜方案。这种粘贴方案具有综合性能好、树脂粘贴均匀、效果好以及使用方便等优点。
(2)光窗粘贴材料的对比
对日本产(3MScotckTM)和国产(泰州有机氟材料厂)Teflon薄膜进行了对比实验，得出了国产Tcflon薄膜亦可作为光窗粘贴材料的结论。
! i; N# L# _4 }, @4 y1 d(3)光窗材料与透光实验
5 F0 B' o7 X0 i3 `( X光窗材料对光化学反应所需波长的光应有高的透射率，经过对普通玻璃与石英玻璃的透光对比实验，决定选用对紫外光透射性好的石英玻璃作光窗材料。
+ v5 X; B% j0 L6 S& a) r* r(4)高频干扰分析及抗干扰措施
对脉冲式氮分子激光器产生的高频干扰进行了分析，诊断出此干扰源的特征为：干扰频率达近百兆，瞬间幅值高达100伏。采取了如下所示的相应对策；采用有针对性的屏蔽措施隔离—消除干扰源；用合理的接地方法来切断及阻碍干扰的锅台通道：设置滤波器、使用屏蔽线等以减小接收电路对干扰的敏感性等，取得了较好的抗干扰效果。
2.3光成型工艺实验研究
经过实验模索，掌握了较为合理的微小机械光成型工艺规模，将其归纳为如下操作步骤：
: q- K+ l+ `; v1 a6 }(1)基准找正
基板上开有找正用的若干基准孔；移动升降台(Z向工作台)使基板略高于光窗，移动曝光头，使其与基板上的基准孔重合。
(2)基础部加工
使升降台尽可能靠近树脂槽光窗。使基板与光窗缝隙中的全部树脂固化。采用大曝光量，基础部的水平方向尺寸大于加工物水平方向尺寸，使基础部与基板问有较大的接触面积，保证成型物可牢固地固定在基板上。
为避免光窗表面处理层及树脂由于吸收过多热量而造成烧伤和变质等破坏现象，使聚光透镜酌焦点离开材脂，改善散热条件从而抑制温升。
, [4 n, m: r  L3 `9 _! ?1 g因基础部与光窗接触面积大，粘着力也大，二者分离时易引起光窗表面处理层破损。为此，基础部每固化一定面积，就使升降台上升、下降一次，从而使每次分离时的粘着力都不致过大。在基础部加工过程中，操作者应频繁中断加工、确定加工状态，避免工件与光窗分离不开的事故发生。
(3)形状部加工
较之基础部加工，采用小曝光光斑和小曝光量，以提高分辨率。
- Y" v& `+ n5 f2 m; C: }8 j/ p使工件内部的曝光条件均一化，、使得二次固化时的变形只是单纯的相似变形。
* H0 F$ Q! {+ I/ I$ D& Q采用改进的光栅扫描、脉冲曝光方式，扫描器可直接移动到固化单元位置。
升降台下降时工件与光窗间树脂受挤压，上升时受压，容易造成光窗表面处理层或工件的损伤因此，上升开始及下降终止时都应有一段缓冲，约需几秒钟。
0 _- f& K. p: S$ O  V" ~1 N6 f(4)超声波丙酮清洗
' S; i8 j- e' _% m+ ?+ o# \(5)紫外光二次固化
" K/ Q2 Q+ m/ V/ ?- N本实验系统已调试成功，并进行了微试件的成型试加工，试加工目的为：验证扫描系统是否能够按设定固化单元数扫描(包括BMP数据格式的合用性)；确认Z方向的层厚；验证成型件与光窗的可分离性；观察固化状况，确认有无未固化树脂夹在固化层中；以及成型物形状的规整性等。微试件的形状为圆柱、椭圆柱、三角柱型和平行六面体，面尺度为2—3mm2左右。
试加工的结果表明：实验系统可正常运行，X—Y平面扫描及Z向层厚控制均符合设计要求，树脂固化均匀，成型件能很好地与光窗分离，成型物外观形状规整。但这仅仅是初步的试加工，微试件形状尚简单，更复杂形状的微零件，以及利用微机械尺度效应直接制造微机械的实验工作正在进行之中。此外，成型分辨率和扫描分辨率还不够高，究其原因，是由于在激光器的选择、光路系统的设计，以及工作台的设计制造等方案的制定时受到了研制经费的限制。目前，我们正在开展如下工作：减小激光束光斑尺寸以获得高的成型分辨率．改善工作台精度以提高扫描分辨率。
3 结论
) d3 O! N, m% R8 \, e4 S  a本文探讨了光成型法用于微小机械制造的可能性。在对微小机械的光成型微细加工工艺、系统构造及调试以及光成型工艺实验等研究的基础上，制作了国内第一台微小机械光成型实验系统。系统所用元部件均为国产件，探索了低成本微小型光成型系统制造的路子。
/ O+ U3 m0 c  g: Q; ~, ?) z0 y本实验系统已通过“863计划”专家组验收。
) E* x4 K0 f. A/ I" U4 R5 N【MechNet】
6 ?5 j  U3 {  [( b文章关键词： 机械加工