CN105799168A - 一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印机 - Google Patents

一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印机，所述打印机包括：固化光源、微镜阵列、树脂槽、承载打印零件的托板、侧支撑板、进给装置和底座；所述底座用于固定固化光源、微镜阵列和侧支撑板；树脂槽和进给装置固定在侧支撑板上；承载打印零件的托板与进给装置相连接；所述树脂槽的表面采用透气疏液材料制成，并且所述树脂槽的表面具有准周期纳米结构，纳米疏液结构减小了零件打印提升过程中的拖曳力，减小了树脂与槽底界面间的接触面积；槽底表面亚波长纳米结构阵列可以提高透光率。利用本发明可以显著减小打印过程中零件底部与槽底表面的粘附力，从而实现高精度复杂微细结构的连续快速打印。

Description

一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印机
技术领域
本发明属于面曝光3D打印领域，尤其涉及一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印机。
背景技术
面曝光3D打印是通过生成层面的轮廓掩膜，一次曝光完成实体零件一个层面的固化，从而可以显著提高成型效率。面曝光成型分为自由面曝光(上曝光式)和约束面曝光(下曝光式)两种方式。与自由面曝光方式相比，约束面曝光具有以下优点：节约材料；固化层与空气不接触，避免了氧气拟制固化的问题，精度高；不需要树脂重新涂铺及刮平动作，效率高；避免了刮平对精细结构可能的破坏。约束面曝光工艺存在的主要问题是，固化树脂层从槽底剥离时需要克服的界面粘附力较大，树脂反复在成型室槽底表面形成固化层并剥离过程中会发生剥离失效，从而导致零件加工失败。
发明内容
基于此，本发明公开了一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印机；
所述打印机包括：固化光源、微镜阵列、树脂槽、承载打印零件的托板、侧支撑板、进给装置和底座；
所述底座用于固定固化光源、微镜阵列和侧支撑板；树脂槽和进给装置固定在侧支撑板上；承载打印零件的托板与进给装置相连接；
所述树脂槽的表面采用透气疏液材料制成，并且所述树脂槽的表面具有准周期纳米结构。
本发明的特点是：
1)树脂槽表面采用透气疏液材料，打印过程中，固化层与树脂槽表面间存在树脂阻聚区，即固化层与槽底表面间存在液态树脂薄层；
2)树脂槽表面具有纳米疏液结构；
3)纳米结构间隙存在气膜，树脂与树脂槽接触面积减小，所以树脂流动阻力减小；
4)纳米疏液结构尺寸小于固化光源的半波长，具有光增透作用，而且对零件微米级特征尺寸的影响可以忽略；
5)树脂槽表面纳米结构通过微模铸工艺获得，微模铸用模具制备包括纳米二氧化硅小球密排、小球分离刻蚀、金属溅射、小球去除、硅刻蚀和金属掩蔽膜去除等步骤；
6)所制备的准周期纳米结构几何尺寸参数可控，可以通过控制工艺参数得到满足防粘减阻要求的优选的纳米结构几何尺寸；
7)利用本发明可以显著减小打印过程中零件底部与槽底表面的粘附力，从而实现高精度复杂微细结构的连续快速打印。
附图说明
图1为本发明一个实施例中所述的打印机的结构组成示意图；
附图中，1.侧支撑板，2.承载打印零件的托板，3.树脂槽，4.微镜阵列，5.进给装置，6.树脂槽托架，7.底座，8.固化光源；
图2为本发明一个实施例中所述打印机树脂槽局部示意图；
附图中，9.成型室框架,10.光固化树脂，11.承载打印零件的托板，12.阻聚区，13.新固化层，14.已打印的部分零件，15.打印区透气疏液槽底，16.光源，17.阻聚气体，18.槽底纳米结构与树脂的接触方式局部放大；
图3a、图3b为本发明所述打印机成型室槽底纳米疏液结构的制备工艺流程示意图；
附图中，19.纳米二氧化硅小球，20.硅基底，21.金属膜，22.透气疏液氟树脂，23.注塑成形聚合物材料。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细描述。
在一个实施例中，所述打印机包括：固化光源、微镜阵列、树脂槽、承载打印零件的托板、侧支撑板、进给装置和底座；
所述底座用于固定固化光源、微镜阵列和侧支撑板；树脂槽和进给装置固定在侧支撑板上；承载打印零件的托板与进给装置相连接；
所述树脂槽的表面采用透气疏液材料制成，并且所述树脂槽的表面具有准周期纳米结构。
在本实施例中，所述树脂槽的表面采用的透气疏液材料对氧气具有较好的渗透性，并且具有疏液性。树脂槽采用了透气材料，透过的氧气使得槽底与固化层界面处存在树脂的阻聚区，在该区域未固化树脂呈液态，界面间液态树脂的存在减小了固化层剥离时的力。
在一个实施例中，所述树脂槽表面采用氟树脂、PDMS或者硅酮制成。
在本实施例中，如图2所示：由于树脂槽表面纳米结构的存在，液态树脂与树脂槽表面接触界区域部分由固液接触变成了气液接触，因此可以减小打印零件提升、树脂填充打印区过程中的流动阻力，避免了过大的拖曳力对已打印零件造成的破坏，从而为提高打印速度提供了条件。纳米结构制作在透气材料基底表面，不影响阻聚气体17透过打印区槽底15，从而不影响阻聚区12的形成。纳米结构尺寸小于光源16光波长的一半，由亚波长结构的渐变折射率效应，该结构可以提高光16的透过率。
在本实施例中，所述树脂槽的表面采用的透气疏液材料对氧气具有较好的渗透性，并且具有疏液性，比如采用氟树脂材料(比如AF2400，AF1600)、PDMS、硅酮等，优选采用AF2400氟树脂。
在一个实施例中所述准周期纳米结构的纵向尺寸小于固化光源波长的一半。
在本实施例中，所述准周期纳米结构尺寸小于固化光源波长的一半，具有光增透作用，对所打印的特征尺寸在微米级的零件的尺寸精度不会产生影响。
在一个实施例中，所述准周期纳米结构由均匀排列的凸起组成。
在本实施例中，如图3a和图3b所示的准周期纳米结构就是有均匀排列的凸起组成，图3a所示的准周期纳米结构通过微模铸工艺形成所需纳米结构；可以通过控制制备工艺参数控制纳米疏液结构的间距、深径比。所述树脂槽表面的纳米疏液结构，也可以通过以下技术方案实现：纳米二氧化硅小球密排，以纳米二氧化硅小球作为掩蔽刻蚀，小球去除，微注塑得到刻蚀图形的负型结构，再次微注塑成形得到与原来一样的纳米疏液结构，如图3b所示。
在一个实施例中，所述准周期纳米结构由非均匀排列的凸起组成。
在本实施例中，可以通过控制制备准周期纳米结构的刻蚀工具的结构来的到非均匀排列的凸起结构。
在一个实施例中，所述凸起的结构包括：圆台、圆柱、圆球、长方体、正方体或者五面体。
在本实施例中，如图3a、3b所示，所述凸起的结构包括圆球、圆台和长方体结构，可以通过控制不同的刻蚀结构来得到不同的凸起结构。
在本实施例中，所述准周期纳米结构的特点包括：1)该结构直接制备在疏液材料表面，纳米粗糙结构和材料本身的疏液性提供了形成非浸润表面的条件，因而液态树脂和该结构间有气膜存在，由于气膜存在，打印完一层托板上升、周围树脂补充过程中，树脂与基底界面间的接触部分由固液接触变成气液接触，流动阻力减小，减小了固化层提升过程中的拖曳力，拖曳力随提升速度增加而增加，拖曳力过大会破坏已固化部分，所以减小拖曳力的主要效果是可以提高打印速度；2)该结构用透氧气材料制备，所制备结构不影响打印过程中液态阻聚区的形成；3)该结构尺寸小于固化光源波长的一半，由于亚波长的结构形成的渐变折射率效应可以产生抗反射效果，因此透光性增加。
在一个实施例中，所述准周期纳米结构由以下步骤制成：
S100、在清洗干净的硅片表面进行纳米二氧化硅小球单层密排；
S200、第一次刻蚀，对二氧化硅小球之间接触部分进行部分去除刻蚀，露出部分硅基底；
S300、溅射刻蚀掩蔽膜；
S400、去除纳米二氧化硅小球；
S500、第二次刻蚀，以金属膜为掩蔽刻蚀得到硅基底表面的纳米孔阵列；
S600、以表面具有纳米孔阵列的硅片为模具，得到准周期纳米结构。
在本实施例中，所述步骤S100中采用旋涂法、提拉法(浸涂法)、滴涂法、电泳沉积法和气/液界面自组装法清洗硅片表面。所述步骤S300中刻蚀掩蔽膜包括金属膜和非金属膜；所述金属膜包括铝、铬和镍，另外，非金属材料包括淡化硅和二氧化硅，不同材料作为刻蚀掩蔽膜时被刻蚀材料与掩蔽材料的刻蚀选择比不同，所以采用不同材料作为掩蔽膜时具体工艺参数有所不同。
在一个实施例中，所述纳米二氧化硅小球的直径小于固化光源波长的一半。
在一个实施例中，所述S600中采用微注塑成型方法得到准周期纳米结构。
在一个实施例中，通过控制第一次和第二次刻蚀的参数可以调控最终准周期纳米结构的间距和高(深)度，纳米结构的间距在100nm～400nm范围内可控制备，纳米结构高(深)度在10nm～300nm范围内可控制备。
在本实施例中，纳米结构的间距与纳米粒子直径有关，控制所制备的纳米粒子直径可以控制间距；至于刻蚀深度可以刻蚀的范围很宽，所给范围为疏液纳米结构要求的范围。通过控制工艺参数，可以得到以满足防粘减阻为目的的纳米结构几何特征参数：纳米结构气含率：10％(饼状)～99％(锥状)，纳米结构长径比：1～8。纳米结构的长径比可以通过控制刻蚀参数得到；气含率通过控制刻蚀参数控制刻蚀形状，从而控制树脂与纳米结构接触时气液接触比例。
在一个实施例中公开了一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印，如图1所示。树脂槽盛有液态光敏树脂，固化光源通过微镜阵列反射到打印区，承载打印零件的托板底部(或者已打印零件的底部)与树脂槽底部界面间为打印固化区，每打印完零件的一层截面轮廓，托板在进给机构驱动下上升，直至零件打印完成。
所述3D打印机由固化光源、微镜阵列、树脂槽、承载打印零件的托板、侧支撑板、进给装置、底座组成；
树脂槽表面采用透气疏液材料，该材料对氧气具有较高的渗透性，并且具有良好的疏液性；
打印机树脂槽采用了透气材料，透过的氧气使得槽底与固化层界面处存在树脂的阻聚区，在该区域未固化树脂呈液态，界面间液态树脂的存在减小了固化层剥离时的力；打印机约束成型室槽底表面制备有准周期纳米结构；
由于打印机槽底表面纳米结构的存在及槽底材料的疏液性，纳米结构间隙有气膜存在；打印机槽底表面纳米结构间隙气膜的存在，液态树脂与槽底界面部分区域由固液接触变成气液接触，从而减小了流动阻力；打印过程中，即使部分区域没有形成未固化区，由于其槽底表面纳米结构的存在，固化树脂与槽底表面只有部分接触，接触力减小。因此槽底表面纳米结构降低了对阻聚区的依赖性；打印机槽底表面的纳米结构尺寸小于固化光源波长的一半，具有光增透作用，对所打印的特征尺寸在微米级的零件的尺寸精度不会产生影响。
在一个实施例中，为了实现所述打印机树脂槽表面的纳米疏液结构，所采用的技术方案包括以下步骤：纳米二氧化硅小球密排，小球分离刻蚀，金属溅射，小球去除，硅刻蚀，金属掩蔽膜去除，纳米疏液结构的微注塑成型，如图3a所示。纳米二氧化硅小球直径小于固化光源波长的一半；通过微模铸工艺形成所需纳米结构；可以通过控制制备工艺参数控制纳米疏液结构的间距、深径比。所述树脂槽表面的纳米疏液结构，也可以通过以下技术方案实现：纳米二氧化硅小球密排，以纳米二氧化硅小球作为掩蔽刻蚀，小球去除，微注塑得到刻蚀图形的负型结构，再次微注塑成形得到与原来一样的纳米疏液结构，
在一个实施例中参照图3a为准周期纳米结构结构制备过程，具体包括以下步骤：
1.基底清洗：将硅片置于浓硫酸和双氧水体积比1:3的混合溶液当中，加热至120℃，30min后取出用去离子水冲洗干净，氮气吹干，150℃烘烤1h至基片完全干燥。
2.二氧化硅小球的单层密排：常用有两种方法，一是旋涂法，即将直径为180nm的二氧化硅小球溶解到体积分数9％酒精中，300rpm旋转6s,1500rpm旋转30s；二是提拉法，即选择高精度直线电机将基片从小球溶液当中以一定速率提拉出来，速度一般选择为20-50μm/s
3.纳米小球分离刻蚀：RF/ICP功率50W/500W、C4F8/O2流量为45/15sccm，刻蚀时间为2min-8min。最终小球位置保持不变，只是直径所有减小，减小量取决于三个参数的选择。
4.采用磁控离子溅射台进行金属铝膜沉积，溅射厚度：50nm。
5.纳米小球去除：将基片置于乙醇溶液中，超声15min，去离子水洗涤，氮气吹干
6.硅基底模板刻蚀，RF/ICP功率100W/1000W、C4F8/O2流量为45/15sccm，刻蚀时间4min，最终的形貌取决于刻蚀参数选择。
7.金属掩蔽膜的去除：将基片置于5％的氢氧化钠溶液当中，60℃水浴10min。
8.微模铸进行图形转移：氟树脂材料采用AF2400，加热至340～350℃时，材料变成液体，流动能力较强，将融化的氟树脂倾倒在基片上，抽真空15min充分排出气泡，冷却后即将硅基底图形转移到氟树脂表面上了。
9.硅模板去除：将氢氟酸、硝酸、冰醋酸按照体积比1:3:8配成混合溶液，将上一步制备的样片放入其中充分反应一段时间即可得到表面具有纳米疏液结构的AF2400薄膜。
以上描述仅为本申请的较佳实例以及所运用的原理说明。本领域技术人员应当理解，本发明已参照特定实施例做了描述，但显然仍可作出各种修改和变换而不背离本发明精神和范围，说明书和附图因被认为是说明性的而非限定性的。

Claims (10)

1.一种防粘减阻纳米结构槽底连续快速曝光光固化打印机，其特点在于，所述打印机包括：固化光源、微镜阵列、树脂槽、承载打印零件的托板、侧支撑板、进给装置和底座；
所述底座用于固定固化光源、微镜阵列和侧支撑板；树脂槽和进给装置固定在侧支撑板上；承载打印零件的托板与进给装置相连接；
所述树脂槽的表面采用透气疏液材料制成，并且所述树脂槽的表面具有准周期纳米结构。
2.根据权利要求1所述的光固化打印机，其特征在于：优选的，所述树脂槽表面采用氟树脂、PDMS或者硅酮制成。
3.根据权利要求2所述的光固化打印机，其特征在于：所述树脂槽表面采用AF2400氟树脂制成。
4.根据权利要求1所述的光固化打印机，其特征在于：所述准周期纳米结构的纵向尺寸小于固化光源波长的一半。
5.根据权利要求4所述的光固化打印机，其特征在于：所述准周期纳米结构由均匀排列的凸起组成。
6.根据权利要求4所述的光固化打印机，其特征在于：所述准周期纳米结构由非均匀排列的凸起组成。
7.根据权利要求5或6所述的光固化打印机，其特征在于，所述凸起的结构包括：圆台、圆柱、圆球、长方体、正方体、锥形或者五面体。
8.根据权利要求1-7所述的任一光固化打印机，其特点在于，所述准周期纳米结构由以下步骤制成：
S100、在清洗干净的硅片表面进行纳米二氧化硅小球单层密排；
S200、第一次刻蚀，对二氧化硅小球之间接触部分进行部分去除刻蚀，露出部分硅基底；
S300、溅射金属膜；
S400、去除纳米二氧化硅小球；
S500、第二次刻蚀，以金属膜为掩蔽刻蚀得到硅基底表面的纳米孔阵列；
S600、以表面具有纳米孔阵列的硅片为模具，得到准周期纳米结构。
9.根据权利要求8所述的光固化打印机，其特点在于：所述纳米二氧化硅小球的直径小于固化光源波长的一半。
10.根据权利要求8所述的光固化打印机，其特点在于：所述S600中采用微注塑成型方法得到准周期纳米结构。
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