呂晶薇　黃致遠(yuǎn)　康鵬　俞中委　邵廣斌

摘要：針對(duì)面投影光固化技術(shù)受限于投影分辨率的問(wèn)題，為研究面投影成型尺寸與成型精度之間的固有矛盾，提出了面投影光固化增材制造的微結(jié)構(gòu)拼接成型技術(shù)。在搭建的高精度面投影光固化成型光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了面單固化層多重拼接控制方法，實(shí)現(xiàn)了投影系統(tǒng)與位移系統(tǒng)的協(xié)同控制。研究了像素點(diǎn)密度與能量擴(kuò)散的相互作用規(guī)律，采用拼接界面的灰度調(diào)制方法，提高了能量的均勻性進(jìn)而提升了拼接界面的質(zhì)量和制造精度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了拼接成型技術(shù)的可行性和光學(xué)平臺(tái)的拼接性能，為研究復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)宏-微一體化增材制造提供了必要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：增材制造;光固化;面投影立體光刻;高精度;拼接成型技術(shù)

DOI：10.15938/j.jhust.2022.02.005

中圖分類號(hào)： TP23，TH162

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2022）02-0036-12

Microstructure Stitching Technology of Projection

Stereolithography Additive Manufacturing

Lü Jing-wei HUANG Zhi-yuan KANG Peng YU Zhong-wei SHAO Guang-bin

（1.Beijing Spacecrafts Co.， Ltd.， Beijing 100094， China;

2.School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract：The development of projection stereolithography （PSL） technology is mainly limited by the projection resolution. To resolve the inherent contradiction between surface projection molding size and molding accuracy， a microstructure splicing molding technology is proposed. On the basis of the high-precision PSL molding optical system， a multi-splicing control method for a single-surface solidified layer is proposed based on the light path system， which realizes the coordinated control of the projection system and the displacement system. The law of interaction between different pixel densities and energy is studied. The grayscale modulation of the splicing interface is used to enhance the uniformity of energy and improve the quality and manufacturing accuracy of the splicing interface.The experiment verified the feasibility of the splicing technology and the splicing performance of the optical platform， and provided the necessary theoretical and technical basis for studying the macro-micro integrated additive manufacturing of complex three-dimensional microstructures.

Keywords：additive manufacturing; stereolithography; projection stereolithography; high precision; splicing technology

0引言

增材制造（Additive Manufacturing）是近年來(lái)快速發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，是目前國(guó)際學(xué)術(shù)熱點(diǎn)，也是我國(guó)“十三五”規(guī)劃中的重要方向[1-3]。在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造中，增材制造技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并以成本低、效率高、材料多樣和一體化成型特點(diǎn)使其在生物醫(yī)學(xué)、智能傳感、航空航天等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。

光固化作為發(fā)展最早、技術(shù)最為成熟的增材制造技術(shù)之一?；谝簯B(tài)光敏樹(shù)脂吸收光子后聚合為長(zhǎng)鏈、發(fā)生固化的原理，通過(guò)激光逐點(diǎn)掃描或動(dòng)態(tài)掩膜投影，使液態(tài)光敏樹(shù)脂在成型面內(nèi)以逐點(diǎn)成型或面成型的方式聚合、固化進(jìn)行單層成型，而后不斷重復(fù)上述過(guò)程、對(duì)光敏樹(shù)脂進(jìn)行層層堆疊，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的增材制造。相比于其他增材制造方法，具有快速成型和高精度制造的特點(diǎn)[7-9]。光固化增材制造方法包括雙光子聚合直寫、單光子駐點(diǎn)掃描固化、單光子面投影固化等。成型原理、硬件系統(tǒng)與成型工藝是影響光固化微結(jié)構(gòu)成型的主要因素。其中面投影立體光刻（projection stereolithography，PSL）作為重要的光固化技術(shù)，最早由Bertsch[10]教授提出，采用透射式液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）作為動(dòng)態(tài)掩膜生成器，固化光源經(jīng)LCD透射，在液態(tài)樹(shù)脂表面投射出特定圖案使樹(shù)脂固化，而后層層疊加、構(gòu)建出三維模型，相比傳統(tǒng)駐點(diǎn)掃描式光固化增材制造其效率顯著提升。但是，由于LCD采用透射式投影，光透過(guò)率較低、能量利用率不高，同時(shí)投影對(duì)比度較低、限制了制造精度的提升。為解決上述問(wèn)題，美國(guó)西北大學(xué)Sun[11]教授改采用數(shù)字微鏡芯片技術(shù)（digital micromirror device，DMD）作為空間光調(diào)制器，建立了面投影微立體光刻系統(tǒng)（projection micro stereolithography，PμSL），實(shí)現(xiàn)了最小線寬0.6 μm的微納尺度增材制造，率先實(shí)現(xiàn)了亞微米級(jí)分辨率立體光刻，該技術(shù)至今仍是微納尺度增材制造的重要方法之一。但是，由于使用DMD作為空間光調(diào)制器，其固有分辨率（1 920×1 080）限制了成型面的尺寸與精度，面投影立體光刻或面向大尺寸、低精度增材制造，或面向小尺寸、高精度增材制造，成型尺寸與精度間的固有矛盾限制了面投影立體光刻技術(shù)的發(fā)展。

為解決投影尺寸與成型精度間的固有矛盾，研究人員提出通過(guò)單一固化層內(nèi)多重拼接的方法以實(shí)現(xiàn)大幅面高精度光固化增材制造[12-14]。加利福尼亞大學(xué)Zheng[13]教授提出了基于XY位移臺(tái)的固化層多重拼接技術(shù)。該方法雖然在一定程度上解決了成型尺寸與成型精度的固有矛盾，但由于XY運(yùn)動(dòng)拼接過(guò)程存在運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)精度、樹(shù)脂流平時(shí)間等限制，實(shí)際制造速度并不理想。因此，弗吉尼亞理工學(xué)院Zheng[14]教授繼續(xù)開(kāi)發(fā)了基于掃描振鏡拼接的面投影立體光刻系統(tǒng)。由于采用了快速XY掃描振鏡進(jìn)行投影拼接、替代XY位移臺(tái)進(jìn)行固化層內(nèi)運(yùn)動(dòng)拼接，節(jié)省了XY位移臺(tái)運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)后等待樹(shù)脂流平時(shí)間，制造速度顯著提升。但由于采用XY掃描振鏡與場(chǎng)掃描透鏡配合，拼接邊緣存在一定投影畸變，在一定程度上影響了投影精度。因此，需要對(duì)拼接界面調(diào)控方法以及對(duì)拼接行為、界面質(zhì)量及制造精度的影響規(guī)律進(jìn)一步研究。

此外，光固化增材制造的液面約束形式也是影響其成型精度的關(guān)鍵因素，目前主要包括自由液面成型方式和約束液面成型方式[15-16]。自由液面成型采用液面自動(dòng)流平或刮板輔助流平，但制造過(guò)程刮板的運(yùn)動(dòng)將對(duì)微結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生破壞;而約束液面成型相對(duì)于自由液面成型存在著較大的離型力，所打印的微結(jié)構(gòu)同樣容易被拉斷發(fā)生破壞[17-18]。

通過(guò)對(duì)面投影立體光刻的成型原理、投影方法、拼接方案及液面約束形式等的綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)由于光學(xué)投影系統(tǒng)物理分辨率的限制，當(dāng)前面投影光固化增材制造成型精度與成型尺寸間的矛盾難以調(diào)和，采用單固化層多重拼接的方法可以有效解決上述問(wèn)題，但在制造效率、畸變控制、尤其是拼接界面調(diào)控等方面仍存在一定提升空間。

為解決上述問(wèn)題，提出面投影光固化的微結(jié)構(gòu)拼接成型技術(shù)，研制高精度面投影成型光學(xué)系統(tǒng)，提出了面單固化層多重拼接控制方法，基于拼接界面灰度調(diào)制顯著提升了拼接界面質(zhì)量，為研究復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)宏-微一體化增材制造提供了必要的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1高精度面投影成型光學(xué)系統(tǒng)研制

光學(xué)系統(tǒng)投影精度直接決定光固化增材制造的成型精度。依據(jù)現(xiàn)有光學(xué)理論對(duì)光固化光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)大幅面高精度的面投影成型。

1.1高精度面投影成型光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在選取光路系統(tǒng)中的圖案生成器方面，選用高能量利用率、像素點(diǎn)尺寸更小、灰度對(duì)比值更高的

DMD成像芯片用于成像。選擇LED點(diǎn)源作為光源，其光源波長(zhǎng)405nm、光斑直徑10mm、光功率密度可達(dá)0～1531mW/cm，且入射光路結(jié)構(gòu)中加入勻光棒，可提高光強(qiáng)均勻度，進(jìn)而提升成像質(zhì)量。

光固化增材制造系統(tǒng)方案原理設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)方案中的出射光路為二級(jí)光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用粗調(diào)和細(xì)調(diào)的光學(xué)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)控制投影圖案的縮放比例。UV光源與DMD成像芯片共同組成了投影系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型二維化后的模型圖案的生成及照明。DMD選用的型號(hào)為德州儀器生產(chǎn)的DLP650NE，其波長(zhǎng)為400～700nm，分辨率為1080p，對(duì)角線長(zhǎng)度為0.65英寸。分束鏡、光闌、非球面鏡、反光鏡及物鏡構(gòu)成高精度光路成型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DMD成像芯片所生成圖案的比例縮放，使其能夠投影在成型液面上。根據(jù)微米級(jí)成型要求，在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面選取自由液面成型結(jié)構(gòu)。

1.2面投影成型光路系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

按照?qǐng)D1的高精度面投影成型系統(tǒng)原理方案，建立光固化成型的數(shù)學(xué)建模如圖2所示。其中原像是由DMD成像芯片上的小微面鏡所組成，光路經(jīng)過(guò)透鏡1對(duì)物像位置和縮放比例的粗調(diào)，進(jìn)行一次成像，光闌的加入用于控制孔徑角以保證成型精度;再通過(guò)透鏡2對(duì)物像位置和縮放比例的細(xì)調(diào)以獲得最終的成像。

根據(jù)上述2個(gè)透鏡的功能，其中透鏡1初步選用單凸透鏡，透鏡2初步選用物鏡透鏡。第一級(jí)光學(xué)結(jié)構(gòu)中鏡頭焦距為f，物距為L(zhǎng)1，中途成像像高為h3;二級(jí)光學(xué)結(jié)構(gòu)中透鏡入射直徑為D，縮放倍數(shù)為k，工作距離為Wd。

該光路系統(tǒng)縮放比P為

式中：h為二次成像像高;h為原像像高。

每一個(gè)DMD成像芯片是由一定量的微鏡片組成，其成型精度為微面鏡在最終成像面尺寸的一半，所以其最終成型精度s為

式中：P為光路縮放比;w為DMD成像芯片微面鏡邊長(zhǎng)。

由于該光學(xué)系統(tǒng)為近軸成像光路系統(tǒng)，設(shè)臨界孔徑角為θ，所以該光學(xué)系統(tǒng)仍需滿足如下耦合關(guān)系：

1）一次像高h(yuǎn)與二次光學(xué)結(jié)構(gòu)透鏡入射直徑的耦合關(guān)系：

2）根據(jù)近軸成像理論：

為保證近軸成像要求，滿足透鏡2的成像條件，需要透鏡1對(duì)光束進(jìn)行收縮，使得光束在像方具有較小的傾斜角以及光軸外誤差，保證較小的光路系統(tǒng)的總體長(zhǎng)度并保證成像質(zhì)量。第一次成像光路原理圖如圖3所示。其中L為物距，L為像距。

在建立真實(shí)的光路系統(tǒng)時(shí)，由于分光鏡等設(shè)備的存在，需要對(duì)現(xiàn)有空間進(jìn)行拓展。因此設(shè)定物距L為220mm，則物方傾斜角U為

1.3面投影成型光路系統(tǒng)仿真分析

將根據(jù)1.2節(jié)中的選型結(jié)果，利用Zemax光學(xué)仿真軟件對(duì)該光路系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真模式選擇sequential。仿真分析除針對(duì)技術(shù)要求外，還考慮了其能量傳輸效率、畸變和彌散斑直徑大小等指標(biāo)，綜合分析所設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)的合理性。

根據(jù)1.1節(jié)中設(shè)計(jì)的原理方案建立如圖4所示的光路系統(tǒng)仿真模型。該系統(tǒng)包括了顯像屏、光闌、復(fù)消色差透鏡組、焦距為100mm的非球面鏡片和45°傾斜的反射鏡，其中反射鏡的作用是將光束從水平方向轉(zhuǎn)向垂直向下方向。

調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）曲線是通過(guò)測(cè)量成像系統(tǒng)中每個(gè)組件的參數(shù)所獲得的如圖5所示。一般來(lái)說(shuō)，MTF值與光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力呈正相關(guān)，但是這種分辨能力也有一定限度。本文MTF曲線以50線對(duì)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則每條線的寬度W為：

通過(guò)觀察圖5的仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用50線對(duì)時(shí)，該光學(xué)系統(tǒng)的MTF值可達(dá)0.825以上，并在3個(gè)視場(chǎng)中其數(shù)值均不存在顯著的差異性。再利用Zemax對(duì)50行圖像進(jìn)行仿真成像，最終其分辨率如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)的分辨率為50行對(duì)時(shí)，兩條線的分辨非常清晰。

依據(jù)光學(xué)理論，當(dāng)視場(chǎng)中的點(diǎn)經(jīng)過(guò)了一個(gè)完美的成像系統(tǒng)時(shí)，成像面上將會(huì)產(chǎn)生3個(gè)點(diǎn)，然而在實(shí)際的成像系統(tǒng)中會(huì)存在著各種誤差和畸變。因此，可以通過(guò)模擬對(duì)比最終成像點(diǎn)的光斑大小來(lái)評(píng)估該光學(xué)系統(tǒng)的性能。

如圖7所示點(diǎn)列圖仿真結(jié)果，RMS的光斑直徑分別達(dá)到0.252μm、0.443μm和1.249μm。評(píng)判光斑質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是以艾利圓環(huán)為準(zhǔn)，當(dāng)前光環(huán)直徑為2.631μm。而當(dāng)光學(xué)成像系統(tǒng)視場(chǎng)中所有位置的光點(diǎn)均在艾利環(huán)內(nèi)時(shí)，則被認(rèn)定為“完美”光學(xué)系統(tǒng)。如圖7所示，其中艾利圓環(huán)內(nèi)均包括了3個(gè)視場(chǎng)，為此說(shuō)明該光學(xué)系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量。

高精度面投影成型光學(xué)系統(tǒng)的能量傳遞效率仿真結(jié)果如圖8所示。圖中3個(gè)視場(chǎng)的能量曲線是相對(duì)接近的，其原因?yàn)榘麍A直徑均包括了最終成像點(diǎn)直徑，進(jìn)一步表明其成像效果較好。從圖8的整體趨勢(shì)可以看出最終該光學(xué)系統(tǒng)的整體傳遞效率可穩(wěn)定在90%以上，其固化面能量大于100mW/cm。

1.4高精度面投影成型光學(xué)平臺(tái)的搭建

根據(jù)上述對(duì)高精度面投影成型光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模和仿真分析，對(duì)高精度面投影成型光路系統(tǒng)完成搭建，并根據(jù)部分模擬結(jié)果對(duì)成型光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整時(shí)為保證光路系統(tǒng)的對(duì)中性，關(guān)鍵光學(xué)器件均加入x-y-z三向微調(diào)裝置，最終高精度面投影成型光學(xué)平臺(tái)如圖9所示。

1-DMD控制板 2-DMD光路 3-分光鏡 4-CCD及鏡頭 5-光闌 6-凸透鏡7-平面鏡 8-透鏡組 9-成型基底 10-豎直方向電機(jī) 11-光敏樹(shù)脂槽 12-水平方向電機(jī) 13-電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

2面投影成型光固化控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是高精度面投影成型光學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高精度增材制造的關(guān)鍵組成部分，其控制精度直接關(guān)系到最終成型模型的成型質(zhì)量?；?.4節(jié)所搭建的光學(xué)平臺(tái)，對(duì)面投影成型控制進(jìn)行了研究以實(shí)現(xiàn)高精度控制。

2.1控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)的組成分為投影控制系統(tǒng)和位移控制系統(tǒng)。三維模型的切片、圖像處理以及計(jì)算機(jī)與DMD成像芯片的數(shù)據(jù)通信由投影控制系統(tǒng)完成;二維位移臺(tái)的控制由位移控制系統(tǒng)完成。圖10所示為控制系統(tǒng)的主要組成部分。

在圖10所示的控制系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，繪制其控制系統(tǒng)的流程圖如圖11所示。

2.2投影系統(tǒng)控制流程

面投影成型光固化的整體流程為：打印開(kāi)始前先將目標(biāo)對(duì)象完成三維建模設(shè)計(jì)，再通過(guò)切片程序得到該三維模型的分層圖像，將圖像進(jìn)行投影實(shí)現(xiàn)固化，逐層累積進(jìn)一步成型，最終打印得到目標(biāo)對(duì)象。

對(duì)于打印對(duì)象的三維模型切片分層圖像，采用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了與后續(xù)投影控制相匹配。在此過(guò)程中，處理切片圖像，得到純數(shù)字編號(hào)排序的.jpg格式。調(diào)用的圖像由DMD成像芯片控制完成投影顯示，使得光敏樹(shù)脂被固化得到目標(biāo)對(duì)象。在軟件控制部分，DMD成像芯片進(jìn)行分層圖像的順序投影，控制流程如下：

1）選定分層圖像文件夾，遍歷其中各分層圖像文件，并將其名稱分別提取組成數(shù)組;

2）依據(jù)循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)數(shù)進(jìn)行逐個(gè)圖像文件名稱的提取，與原始文件夾路徑組合形成各分層投影圖像文件路徑，進(jìn)而順序選定各分層投影圖像;

3）利用計(jì)算機(jī)和DMD成像芯片間的VGA串口通訊傳輸，實(shí)現(xiàn)圖像的層次化投影。

面投影光固化過(guò)程中，純黑圖像的數(shù)據(jù)是通過(guò)VGA串口通訊傳送到DMD成像芯片中，直至光敏樹(shù)脂液面靜止為止。但由于投影光強(qiáng)符合高斯分布規(guī)律，不同面積大小的層狀圖像，需要不同的投影固化時(shí)間。所以在整體投影固化過(guò)程中，必須根據(jù)不同的投影量確定不同的固化成型深度。因此實(shí)現(xiàn)了層次化圖像提取和圖像投影預(yù)處理，提高了投影固化成型的精度。

2.3投影系統(tǒng)圖像預(yù)處理

2.4面投影拼接成型控制算法

面投影拼接成型控制算法實(shí)現(xiàn)的是二維位移臺(tái)及投影控制系統(tǒng)的協(xié)同控制。為了確保投射過(guò)程和移位裝置的運(yùn)動(dòng)互不干擾，且能以預(yù)期的順序進(jìn)行，需要兩者的控制程序相結(jié)合，以達(dá)到精確有效的拼接成型。

整機(jī)控制分為3個(gè)階段：豎直移位臺(tái)的升降、投影和等待液面平坦化?？刂扑惴ㄖ邪巳缦聨讉€(gè)條件結(jié)構(gòu)，4個(gè)分支相對(duì)應(yīng)的選擇如表1所示。

該部分主要用于實(shí)現(xiàn)拼接成型。循環(huán)變量被設(shè)為a， N是每層切片后圖像分割的個(gè)數(shù)。按1， 2， 3， …， N的順序給分割圖像編號(hào)，算法進(jìn)入到投影分層圖像時(shí)開(kāi)始進(jìn)入拼接成型階段。在固化好模式之后，在控制垂直方向電機(jī)的特定運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，將水平電機(jī)返回到零點(diǎn)。綜合控制流程圖如圖14所示。

3微結(jié)構(gòu)面投影光固化實(shí)驗(yàn)研究

微結(jié)構(gòu)面投影光固化增材制造實(shí)驗(yàn)研究用于驗(yàn)證所提出的高精度面投影光學(xué)平臺(tái)的制造性能和拼接性能。在造型精度方面，通過(guò)最小成型尺寸實(shí)驗(yàn)完成對(duì)光學(xué)系統(tǒng)性能的測(cè)試。再通過(guò)完成拼接成型質(zhì)量實(shí)驗(yàn)和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)拼接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該光學(xué)平臺(tái)的拼接性能，為后續(xù)研究提供了一定的參考價(jià)值。

3.1最小成型尺寸實(shí)驗(yàn)

DMD成像芯片上每一個(gè)小方塊對(duì)應(yīng)一個(gè)微面鏡，由于能量分布呈高斯分布，導(dǎo)致其邊沿能量較高，產(chǎn)生了微小的凸起，其投影固化效果圖如圖15所示。從圖中可以得出，成像的每臺(tái)微面鏡的邊長(zhǎng)實(shí)際值約為5.52μm，誤差小于1μm。

實(shí)驗(yàn)材料選用光敏樹(shù)脂材料，進(jìn)行最小成型尺寸實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證高精度面投影成型光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和成型性能，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖16所示。固化波長(zhǎng)為405nm，顏色為不透明綠色，成型前粘度為550cps，成型后拉伸強(qiáng)度為62MPa，彈性模量為1GPa。

入射光可通過(guò)DMD成像芯片和透鏡組對(duì)基底上均勻厚度的液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行光固化，并測(cè)試所形成的直線線寬。如圖17顯示了最小成型尺寸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其線寬為7μm，大于了實(shí)際數(shù)值。其主要原因在于高斯分布產(chǎn)生了能量擴(kuò)散使得光固化得到兩端窄、中間寬的線型。另外由于線材厚度較小，在最后進(jìn)行超聲波清洗時(shí)發(fā)生了輕微彎曲使得實(shí)驗(yàn)線寬大于實(shí)際數(shù)值。

3.2拼接成型實(shí)驗(yàn)

3.2.1拼接成型質(zhì)量實(shí)驗(yàn)

拼接成型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D18所示。該模型框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)初衷是便于從多角度觀察拼接質(zhì)量。在打印模型時(shí)，先打印下側(cè)框架結(jié)構(gòu)和4根側(cè)梁結(jié)構(gòu)，然后按拼接順序，打印出藍(lán)、紅、黃三部分的結(jié)構(gòu)，完成拼接成型結(jié)構(gòu)的制作。

通過(guò)已搭建的高精度面投影成型光學(xué)平臺(tái)對(duì)拼接成型模型進(jìn)行打印，得到拼接成型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。

拼接成型實(shí)驗(yàn)的實(shí)際打印模型如圖19（a），其成型尺寸為18.82×5.28mm。繼續(xù)通過(guò)顯微鏡對(duì)其表面進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)120×100μm的凹槽如圖19（b）所示。

分析其原因主要有2個(gè)：一是由于能量分布不均勻所致;二是由于光敏樹(shù)脂在固化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致在發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)時(shí)，其體積會(huì)出現(xiàn)一定量的收縮，因此產(chǎn)生了類似的凹槽。

根據(jù)上述分析，可以通過(guò)減少各節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度，使2個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一定的重合區(qū)，并增加節(jié)點(diǎn)邊緣的灰度值來(lái)解決產(chǎn)生凹槽的問(wèn)題。

1）拼接長(zhǎng)度控制法。

在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)減少每個(gè)拼接點(diǎn)的像素?cái)?shù)目，在保持一定收縮率的前提下，減少每個(gè)拼接點(diǎn)的收縮長(zhǎng)度，以此來(lái)達(dá)到減小凹槽尺寸的目的。在使用了15次和30次拼接后，圖20中分別從顯微鏡中觀察到了拼接后的俯視圖和側(cè)視圖。

如圖20所示的結(jié)果，當(dāng)進(jìn)行15次拼接時(shí)，該凹槽的長(zhǎng)度約為100μm，深度約為35μm;當(dāng)進(jìn)行30次拼接時(shí)，該凹槽的長(zhǎng)度約為80μm，深度約28μm。相比于第一次拼接實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)像素點(diǎn)數(shù)量與凹槽的深度呈正相關(guān)，因此可以通過(guò)減少拼接模型的像素點(diǎn)數(shù)量來(lái)減少凹槽的深度。

2）重合區(qū)域控制法。

在考慮收縮率的情況下，通過(guò)測(cè)量不同拼接方式下的凹槽長(zhǎng)度來(lái)控制2次拼接重合的像素?cái)?shù)目N為：

式中：L為凹槽長(zhǎng)度;ρ為像素點(diǎn)邊長(zhǎng)長(zhǎng)度;ε為材料收縮率，本文使用材料收縮率為5%。

根據(jù)表達(dá)式（20），計(jì)算得到當(dāng)進(jìn)行5次拼接完成該模型時(shí)，收縮像素點(diǎn)數(shù)量N為12;當(dāng)進(jìn)行15次拼接完成該模型時(shí)，收縮像素點(diǎn)數(shù)量N為8;當(dāng)進(jìn)行30次拼接完成該模型時(shí)，收縮像素點(diǎn)數(shù)量N為6。繪制重合區(qū)域控制法實(shí)驗(yàn)示意圖如圖21所示。

對(duì)上述拼接模型利用重合區(qū)域控制法進(jìn)行拼接實(shí)驗(yàn)，5次、15次和30次拼接完成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖22所示。

通過(guò)圖22重合區(qū)域法獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從俯視圖觀察，凹槽基本已經(jīng)消失，從側(cè)視圖測(cè)量凹槽深度，約為15μm，精度有了明顯的提升。

3）灰度控制法。

3.2.2復(fù)雜微結(jié)構(gòu)拼接實(shí)驗(yàn)

復(fù)雜微結(jié)構(gòu)模型的建模與設(shè)計(jì)是利用SolidWorks軟件所完成的，復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的三維模型如圖25 a）所示。繼續(xù)對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，處理方法是根據(jù)2.2節(jié)所提出的投影模型預(yù)處理，切片后圖形如圖25 b）所示。再對(duì)投影模型完成進(jìn)一步的圖像分割如圖25 c）所示。

如圖27所示，顯示了完成拼接成型的結(jié)果。該復(fù)雜微結(jié)構(gòu)屬于超輕結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)既能保證體積又能降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)還能保證材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。該微結(jié)構(gòu)的成型尺寸為17×10×8mm，最小特征尺寸為300μm。

4結(jié)論

研究了面投影光固化微結(jié)構(gòu)拼接成型方法以提高面投影光固化的成型尺寸和成型精度。根據(jù)本文研究?jī)?nèi)容，得到以下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)了高精度面投影成型光路系統(tǒng)方案并建立其數(shù)學(xué)模型。利用Zemax光學(xué)仿真軟件從MTF值、彌散斑直徑和能量傳遞綜合衡量，表明該系統(tǒng)具有良好的光學(xué)性能。

2）根據(jù)搭建的高精度面投影成型光學(xué)平臺(tái)，提出了面單固化層多重拼接控制方法。通過(guò)對(duì)像素點(diǎn)密度和能量擴(kuò)散影響的分析，采用灰度調(diào)控對(duì)投影圖像進(jìn)行了預(yù)處理。面投影成型拼接控制算法的提出確保了系統(tǒng)中各部分的高效協(xié)同控制。

3）通過(guò)對(duì)最小成型尺寸、拼接成型質(zhì)量和復(fù)雜微結(jié)構(gòu)拼接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該光學(xué)平臺(tái)的最小成型尺寸為7μm。通過(guò)實(shí)現(xiàn)拼接步長(zhǎng)、重合區(qū)域和灰度調(diào)控的3種拼接方式提高了拼接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了17×10×8mm的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)成型尺寸，驗(yàn)證了該高精度光學(xué)平臺(tái)的成型能力和拼接性能。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]盧秉恒. 增材制造技術(shù)—現(xiàn)狀與未來(lái)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2020，31（1）：19.LU Bingheng. Additive Manufacturing—Current Situation and Future[J]. China Mechanical Engineering， 2020，31（1）：19.

[2]李滌塵， 賀健康， 王玲， 等. 5D打印——生物功能組織的制造[J]. 中國(guó)機(jī)械工程， 2020，31（1）：83.LI Dichen， HE Jiankang， WANG Ling， et al. 5D Printing-Fabrication of Biological Function Tissue[J]. China Mechanical Engineering， 2020，31（1）：83.

[3]蘭紅波， 李滌塵， 盧秉恒. 微納尺度3D打印[J]. 中國(guó)科學(xué)： 技術(shù)科學(xué)， 2015，45：919.LAN Hongbo， LI Dichen， LU Bingheng. Micro-and Nanoscale 3D Printing[J]. Sci Sin Tech， 2015，45：919.

[4]曾濤， 周義凱， 張坤， 等. SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料SLS/PIP 制備工藝及彎曲性能 [J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（3）：163.ZENG Tao， ZHOU Yikai， ZHANG Kun， et al. Fabrication and Mechanical Property of SiC/SiC Composites by Selective Laser Sintering Technology Combined with Precursor Impregnation and Pyrolysis Process[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology， 2020，25（3）：163.

[5]NGO T D， KASHANI A， IMBALZANO G， et al. Additive Manufacturing （3D printing）： A Review of Materials， Methods， Applications and Challenges [J]. Composites Part B Engineering，2018，143：172.

[6]賀永， 高慶， 劉安， 等. 生物3D打印——從形似到神似[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019，53（3）：407.HE Yong， GAO Qing， LIU An， et al. 3D Bioprinting： from Structure to Function[J]. Journal of Zhejiang University （Engineering Science），2019，53（3）：407.

[7]MELCHELS F P W， FEIJEN J， GRIJPMA D W. A Review on Stereolithography and Its Applications in Biomedical Engineering[J]. Biomaterials，2010，31（24）：6121.

[8]GE Q， LI Z， WANG Z， et al. Projection Micro Stereolithography Based 3D Printing and Its Applications[J]. International Journal of Extreme Manufacturing，2020，2（2）：022004.

[9]HAN D， YANG C， FANG N X， et al. Rapid Multi-material 3D Printing with Projection Micro-stereolithography Using Dynamic Fluidic Control[J]. Additive Manufacturing， 2019，27：606.

[10]BERTSCH A， ZISSI S， JéZéQUEL J Y， et al. Microstereophotolithography Using a Liquid Crystal Display as Dynamic Mask-generator [J]. Microsystem Technologies，1997，3（2）：42.

[11]SUN C， FANG N， WU D M， et al. Projection Micro-stereolithography Using Digital Micro-mirror Dynamic Mask [J]. Sensors and Actuators a： Physical，2005，121（1）：113.

[12]LEE M P， COOPER G J T， HINKLEY T， et al.Development of a 3D Printer Using Scanning Projection Stereolithography [J]. Scientific Reports，2015，5：9875.

[13]ZHENG X， DEOTTE J， ALONSO M P， et al. Design and Optimization of a Light-emitting Diode Projection Micro-stereolithography Three-dimensional Manufacturing System [J]. Review of Scientific Instruments，2012，83（12）：125001.

[14]ZHENG X， SMITH W， JACKSON J， et al. Multiscale Metallic Metamaterials [J]. Nature Materials，2016，15（10）：1100.

[15]LUONGO A， FALSTER V， DOEST M B， et al. Microstructure Control in 3D Printing with Digital Light Processing [J]. Computer Graphics Forum，2019，39（6）：1.

[16]康鵬. 基于光固化成型的微結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)研究 [D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2017.

[17]SHAO G， WARE H， HUANG J， et al. 3D Printed Magnetically-actuating Micro-gripper Operates in Air and Water [J]. Additive Manufacturing，2021，38（2）：101834.

[18]潘鵬鵬， 張承瑞， 李仕浩， 等. 基于約束液面成型的分離力分析與預(yù)測(cè) [J]. 精密制造與自動(dòng)化， 2018（2）：15.PAN Pengpeng， ZHANG Chengrui， LI Shihao，et al. Analysis and Prediction of Separation Force Based on Constrained Liquid Surface Forming [J]. Precise Manufacturing & Automation，2018（2）：15.

[19]EMAMI M M， BARAZANDEH F， YAGHMAIE F. An Analytical Model for Scanning-projection Based Stereolithography [J]. Journal of Materials Processing Technology，2015，219：17.

[20]CHOI J W， WICKER R B， CHO S H， et al.Cure Depth Control for Complex 3D Microstructure Fabrication in Dynamic Mask Projection Microstereolithography [J]. Rapid Prototyping Journal，2009，15（1）：59.

（編輯：溫澤宇）