CN105459396B

CN105459396B - 一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置及方法

Info

Publication number: CN105459396B
Application number: CN201510788644.6A
Authority: CN
Inventors: 宗学文; 宁楠; 张传伟
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-06-23
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: CN105459396A

Abstract

本发明公开了一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置及方法，利用紫外曝光的动态掩膜版形成有效且环保的快速成型新技术，臭氧对紫外线的阻透作用，生成紫外曝光环保掩膜版，将臭氧掩膜版应用于快速制造领域。本发明方法能够重复进行紫外曝光，反应过程无有害气体生成，高效环保，且相对于传统的快速成型机降低了成本，提高了设备的使用寿命，适合对树脂模样中、小批量的快速制造和新产品的快速试制等领域。

Description

一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置及方法

技术领域

本方法涉及快速制造领域的紫光曝光控制系统设计、光路设计、模具的曝光固化和成型工艺。

背景技术

在研究复杂形状光制造的过程中,如何快速生成任意形状的紫外环保掩膜版成为长期困扰业界的问题。但传统的掩膜版寿命会受到雾化缺陷的限制，雾化缺陷是指在对特定的区域内，电子束曝光时，部分电子在光刻胶表面反射，从光刻胶表面反射的电子再遇置于光刻胶之上的挡板而重新反射至光刻胶上，从而使之感光，但由于雾化缺陷中，电子反射后是在空气中，从而碰撞几率比在光刻胶中小，因此在掩膜版中，雾化缺陷是个很重要的影响因素，但在光刻波长大于200nm时，这些缺陷不会引起太大的问题，但是小于200nm光刻时，受到影响的掩膜版会高达20％左右，使得掩膜版的寿命难以提高。

发明内容

为克服上述问题，本发明在传统紫外曝光掩膜版技术的基础上，提出一种利用臭氧的长紫外光的阻透作用，对液态光固化材料进行曝光的方案，实现了程序控制下的重复应用，具有过程可逆，且高效环保。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，包括树脂槽、封闭气室、长波紫外光源、短波紫外光源和控制主机，所述的封闭气室设置在树脂槽的下方，封闭气室内装有氧气，长波紫外光源和短波紫外光源发出的光透过封闭气室入射至树脂槽内；所述的树脂槽内装有液态光敏树脂，并可在长波紫外光的照射下固化；所述的短波紫外光源按照成形加工分层切片的特定形状投射短波紫外光至封闭气室内的氧气中，使其反应生成臭氧，并使得封闭气室的局部投射区变为臭氧区，阻挡短波紫外光的透射，同时臭氧区的臭氧在长波紫外光的照射下转化为氧气，恢复至初始状态；所述的控制主机实现对长波紫外光源和短波紫外光源投射工序的控制。

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置中，短波紫外光源的波长为184nm。

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置中，长波紫外光源的波长为200nm。

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置中，液态光敏树脂为光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯树脂或上述树脂的混合液体。

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置中，短波紫外光源前设置有微透镜阵列或液晶器件，用于控制输出光斑的形状和位置。

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置中，长波紫外光源和短波紫外光源为点光源、面光源、体光源或三者的组合。

基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形的方法，包括以下步骤：

【1】将要成形加工产品的三维图上传到控制主机，由控制程序运行进行切片处理，得到每层切片的形状参数；

【2】将光敏树脂加入到树脂槽内；

【3】控制主机控制短波紫外光源，按照第一层截面的形状参数，投射短波紫外光至封闭气室内的氧气，使得氧气反应生成臭氧，并在封闭气室的局部形成臭氧区；

【4】控制主机控制长波紫外光源照射至封闭气室，对臭氧区外的液态树脂进行固化，同时使得臭氧区内的臭氧反应生成氧气，完成该层的成形加工；

【5】重复步骤【3】和【4】，完成剩余其他层的加工；

【6】将树脂槽内未固化的液态光敏树脂倒出，对产品清洗。

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形方法中，短波紫外光的出光时长为0.01～0.03微秒；

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形方法中，长波紫外光的出光时长为0.01～0.03微秒；

上述基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形方法中，短波紫外光和长波紫外光之间的间隔为0.04～0.05毫秒。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明在传统紫外曝光掩膜技术的基础上，利用臭氧对长紫外光的阻透作用，在封闭气室内装有氧气，使得按照分层特定形状设置的短波紫外光照射后生成动态的局部臭氧区，阻碍长波紫外光的透过，而未阻碍区域的长波紫外光可使得树脂槽内树脂固化，形成特定的形状，同时长波长紫外光又照射臭氧区，使得臭氧变为氧气，回复初始状态，完成重复循环加工，该方法实现了程序控制下的重复应用，具有过程可逆，且高效环保。

2、本发明利用臭氧与氧气的转化过程，臭氧的吸光度高，且整个转化过程没有其他有害气体生成，原子利用率高，整个反应非自发，且过程可逆，由此可以得出紫外环保掩膜版反应过程可以控制，并且能够重复利用，能够有效提高掩膜版的寿命，而且还能反复进行紫外曝光固化的过程，有效的提高了快速成型的效率，

3、本发明在封闭气室内进行的氧气反应声场臭氧、臭氧反应生成氧气，具有反应过程可逆，放热和吸热过程动态平衡，确保可成形加工的精度。

4、本发明利用紫外曝光动态掩膜版技术的快速制造新方法，可用于商业化的光刻机、复合材料成型试验台、快速成型设备和增材制造装备等领域，推广价值大。

附图说明

图1是基于紫外曝光动态掩膜版原理的成形原理示意图；

图2是紫外光固化原理示意图。

附图标记为：1－树脂槽；2－封闭气室；3－长波紫外光；4－短波紫外光；5－控制主机；6－氧气；7－臭氧区；8－光敏树脂；10－固化产品；11－固化第一层；12－固化第二层；13－固化最后一层。

具体实施方式

如图1所示，基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，包括树脂槽1、封闭气室2、长波紫外光源、短波紫外光源和控制主机5，所述的封闭气室2设置在树脂槽1的下方，长波紫外光源和短波紫外光源发出的光透过封闭气室入射至树脂槽1内，所述的树脂槽1内装有液态光敏树脂，并可在长波紫外光3的照射下固化；所述的封闭气室内装有氧气6，所述的短波紫外光源按照成形加工分层切片的特定形状，投射短波紫外光4至封闭气室内的氧气，使其反应生成臭氧，并使得封闭气室2的局部投射区变为臭氧区7，阻挡短波紫外光4的透射，同时臭氧区的臭氧在长波长紫外光的照射下转化为氧气，恢复至初始状态，所述的控制主机5实现对长波紫外光源和短波紫外光源投射工序的控制，其中长波紫外光源的波长不小于200nm。

本发明中长波紫外光源的波长为200nm，短波紫外光源的波长为184nm。液态光敏树脂为光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯树脂或上述树脂的混合液体。其中短波紫外光源前设置有微透镜阵列或液晶器件，用于控制输出光斑的形状和位置。长波紫外光源和短波紫外光源均为点光源、面光源、体光源或三者的组合。

图1中该反应区域在封闭环境下完成，光敏树脂槽1设在封闭气室2上方，液槽温度为30℃，在室温25℃的环境下，使用400W功率且波长分别为λ＝184nm的短波点光源和λ大于200的长波面光源UV紫外光固化设备，该设备的工艺参数为：临界曝光量Ec＝8.8mJ/cm²，紫外光功率Pl＝100mV，扫描速度Vs＝2800mm/s，分层厚度H＝0.09mm，扫描间距hs＝0.05mm，通过公式(1)：

E＝PL/(Vs*hs) (1)

可以计算出该设备的曝光量E＝71mJ/cm²，上述参数是判断该设备亮度、紫外投影区域均匀度、图像的清晰度等性能的重要指标，该设备临界曝光量Ec＝8.8mJ/cm²和曝光量E＝71mJ/cm²得出该设备具有高亮度，紫外光功率Pl＝100mV和扫描速度Vs＝2800mm/s可以得出该设备具有清晰的图像，分层厚度h＝0.09mm和扫描间距hs＝0.05mm可以得出投影区域分布非常均匀，接近于均匀分布指数的峰值。

短波紫外线投射到封闭气室2的形状可由计算机图形数据直接控制生成，形状产生的方式可由微透镜阵列或液晶器件产生，例如可以通过DLP(数字光处理)技术，把影像讯号经过数字处理，然后再把光投影出来，采用数字微镜品片(DMD)来做主要关键元件以实现数字光学处理，但不限于该方式，具有动态特性。

树脂槽内的紫外光固化材料是长紫外光敏材料,其临界曝光量根据原理中光反应曝光量确定(约8.5～8.8mJ/cm²)，粘度依据光固化区填充速度需求调制(约4.5～25.0pa.s)，其填充方式可采用重力填充或压力填充，重力填充是指不借助外界力量，利用大自然重力使光敏材料从打印喷嘴处流入树脂槽，喷嘴处会设有开关，伴随控制系统的开闭指令有序进行打开和闭合，压力填充是利用打印喷嘴收到外界挤压，使光敏树脂材料挤入树脂槽，喷嘴处虽然没有控制开关，但会设置一个压力开关，当外界压力挤压打印喷嘴内的光敏树脂时，压力开关会因压力超出最大临界压力而将光敏材料挤出。

本发明的紫外光和气体在封闭气室反应过程如下：

首先，将184nm等短波长紫外线按特定性状照射到封闭气室2的氧气上，使被照射区生成臭氧，该臭氧区可阻透波长大于200nm的长紫外线。反应公式为：

3O₂+hv(184nm短紫外光能)→2O₃

氧气在吸收184nm波长的紫外光照射后产生臭氧和原子氧，已知臭氧的密度为2.144g/L，氧气的密度为1.429g/L，当氧气向臭氧转化时，气体密度ρ减小，由理想气体状态方程PV＝nRT可知，在封闭空间中由于放热反应，反应温度T增加，压强P增大，整个反应是一个可逆的放热反应。

在氧气被短波紫外线照射生成臭氧和氧原子的同时，有少量臭氧与活波的氧原子作用转化回氧气，反应公式为：

O₃+O.→2O_2，

该反应吸收热量，由理想气体状态方程PV＝nRT可知，温度T降低，体积V不变，因此压强P会降低。

由于氧气被封闭在可透紫外线的封闭腔内，因其不受外界其他气体的影响，具有最佳的臭氧生成环境条件，光反应时间在微时间内(约0.01～0.03微秒)完成，生成的臭氧区对长紫外线有阻透作用，非臭氧区可透过长紫外线，如此形成长紫外固化的动态掩膜版。

其次，利用该掩膜版对液态光固化材料进行曝光，采用长紫外线(大于200nm)曝光光敏树脂使其固化，长紫外线在曝光的同时使掩膜区的臭氧转化为氧气。反应公式为：

O₃+hv(大于200nm长紫外光能)→O₂+O^.

该反应吸收热量，温度T降低，由理想气体状态方程PV＝nRT可知，温度T降低，体积V在封闭空间不发生变化，则压强P降低。

臭氧区7阻透长紫外时，吸收该紫外线能量，转化为氧气，反应过程在0.01微秒～0.03微秒的微时间内完成，长紫外线通过上述掩膜版，将液态光敏树脂固化成特定形状的固化层，其特定形状是通过CAD设计出三维实体模型，通过离散程序可以将该模型进行分层切片，产生的数据上传到主控程序上，分别控制184nm短紫外光源和大于200nm长紫外光源，分层投影出特定形状的紫外光。氧气区吸收特定轮廓形状184nm短紫外光，生成臭氧区可以阻隔紫外光照射到曝光区域。而大于200nm长紫外光源投影整个曝光区域，臭氧区吸收长紫外光转化为氧气，非臭氧区长紫外光透过氧气层照射到光敏树脂表面，形成一层树脂的固化，两个过程几乎是同时进行的。

当一层加工完毕后，主控程序对第二层切片进行分析，控制投影系统利用相同的过程对第二层截面进行固化，即利用184nm等短紫外线生成新的臭氧掩膜版，通过第二层切片信息对两个投影设备的数据反馈，重复上述长紫外线(波长大于200nm)的曝光过程，直到最后一层数据分析完，整个产品的加工完毕。当氧气吸收184nm短波紫外线生成臭氧时，温度上升，压强增大，当臭氧或活波的氧原子吸收大于200nm的长紫外线光源时，温度降低，压强减小，由此可知，整个反应处于一个动态平衡，不仅没有多余生成物产生，而且还能反复进行紫外曝光固化的过程，有效地提高了快速成型的效率，对传统的快速成形技术是一个突破和创新。

本发明的具体成形加工步骤如下：

一、将所要成形加工产品的三维图上传到控制主机，由控制程序进行切片处理，得到每层切片的形状参数，并将处理好的数据上传到主控程序上。

二、将光敏树脂加入到树脂槽内，下置封闭的氧气室，打开控制主机的投影控制系统和曝光控制系统；投影控制系统用于对短波长紫外光的控制，曝光控制系统用于对长波长紫外光的控制。

三、运行主控程序，对第一层截面特定形状进行投影，短波紫外线先以特定形状照射氧气生成臭氧区，长波紫外线再对曝光区域进行固化，臭氧区因具有阻隔紫外光作用而不能使其上方树脂固化，但却因长紫外光照射而转化为氧气，但非臭氧区则透过氧气投影到光敏树脂上，形成曝光固化。该设备的工作顺序按：短紫外光0.01～0.03微秒，间隔0.04～0.05毫秒，然后长紫外光0.01～0.03微秒的顺序进行。

如图2所示，第一层已经生成，第一层固化的树脂和没有固化的树脂已经能够区分，固化的树脂呈现固态，未固化的树脂呈现液态。主控系统再对第二层截面进行数据分析，控制投影系统以相同的长短波紫外投影配合方式完成，第二层在第一层的基础上进行，由于该固化树脂可以透过紫外光，当第一层加工完毕转入第二层时，短波紫外线投影出第二层的图形，使得树脂槽内形成第二层截面图形，两层固化树脂由于光固化作用粘接在一起，一直到最后一层固化完成，该产品加工完成。

四、将树脂槽内的液态光敏树脂倒出，用刮刀在树脂槽地板上轻轻刮掉附着在上面的固化树脂，取出该产品，对整个产品进行清洗，一个完整的产品加工已经完成。

本发明并不局限用于紫外液态材料的快速成型技术领域，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims

1.一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，其特征在于：包括树脂槽(1)、封闭气室(2)、长波紫外光源、短波紫外光源和控制主机(5)，所述的封闭气室(2)设置在树脂槽(1)的下方，封闭气室(2)内装有氧气(6)，长波紫外光源和短波紫外光源发出的光透过封闭气室入射至树脂槽(1)内；所述的树脂槽(1)内装有液态光敏树脂(8)，并可在长波紫外光(3)的照射下固化；所述的短波紫外光源按照成形加工分层切片的特定形状投射短波紫外光(4)至封闭气室(2)内的氧气中，使其反应生成臭氧，并使得封闭气室(2)的局部投射区变为臭氧区(7)，阻挡短波紫外光(4)的透射，同时臭氧区(7)的臭氧在长波紫外光(3)的照射下转化为氧气，恢复至初始状态；所述的控制主机(5)实现对长波紫外光源和短波紫外光源投射工序的控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，其特征在于：所述的短波紫外光源的波长为184nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，其特征在于：所述的长波紫外光源的波长不小于200nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，其特征在于：所述的液态光敏树脂(8)为光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯树脂或上述树脂的混合液体。

5.根据权利要求1所述的一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，其特征在于：短波紫外光源前设置有微透镜阵列或液晶器件，用于控制输出光斑的形状和位置。

6.根据权利要求1所述的一种基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置，其特征在于：所述的长波紫外光源和短波紫外光源均为点光源、面光源、体光源或三者的组合。

7.利用权利要求1所述的基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置进行快速成形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

【2】将光敏树脂加入到树脂槽内；

【4】控制主机控制长波紫外光源照射至封闭气室，对臭氧区外的液态树脂进行曝光固化，同时使得臭氧区内的臭氧反应生成氧气，完成该层的成形加工；

【5】重复步骤【3】和【4】，完成剩余其他层的加工；

【6】将树脂槽内未固化的液态光敏树脂倒出，对产品清洗。

8.根据权利要求7所述的基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置进行快速成形的方法，其特征在于：短波紫外光的出光时长为0.01～0.03微秒。

9.根据权利要求7所述的基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置进行快速成形的方法，其特征在于：长波紫外光的出光时长为0.01～0.03微秒。

10.根据权利要求7所述的基于紫外曝光动态掩膜版技术的快速成形装置进行快速成形的方法，其特征在于：短波紫外光和长波紫外光之间的间隔为0.04～0.05毫秒。