CN113910608A - 一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的pdms离型膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜，主要是运用分形几何学知识及微尺度流体连续原理，在树脂槽底部离型膜表面增加一种分形几何微尺度储油沟槽，以增加其对润滑液的储存能力，保障大尺寸面曝光连续成型3D打印过程中树脂的流动补充更加及时、充分，避免因润滑液流失、离型膜破裂等问题，从而提高长时间打印过程的成功率及打印模型的成型质量。

Description

一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜
技术领域
本发明涉及3D打印技术和流体力学领域，涉及一种一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜。
背景技术
3D打印技术是一种“自下而上”的材料累积制造方法，又称“增材制造”。它以三维数字模型为基础，在计算机软件控制下，将材料逐层叠加起来，从无到有地构建物品。这与传统的切削、钻孔等“减材”方式制造工艺的制造理念完全相反。跟传统制造工艺相比，3D打印技术存在以下优点：不会因制造物品的复杂度而增加成本、可以实现一物一类制造、突破形状限制、减少废料副产品等。
根据打印工艺和材料的不同，有多种类型的3D打印技术。(1)熔融堆积成型(FusedDeposition Modeling,FDM)技术；(2)叠层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)技术；(3)选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术；(4)选择性激光熔融成型(Selective Laser Melting,SLM)技术；(5)光固化3D打印技术。其中，光固化3D打印技术是发展最早且最成熟，相比其他打印方法，无论是成型速度和成型质量上其优势较为明显。
目前有多种类型的光固化3D打印技术，包含立体固化成型(Stereo LithographyAppearance,SLA)、聚合物喷射(PolyJetTM)、面曝光技术(DLP)。通过对比发现，面曝光技术硬件系统结构较为简单，成本也较低，面曝光技术在同类光固化技术中有较大的“性价比”优势，因此，面曝光技术(DLP)成为目前3D连续打印光固化打印技术的主要研究内容。
然而，目前的面曝光3D连续成型打印技术打印成型件的特征尺寸较小，打印较大尺寸成型件时存在液态树脂流动补给不及时、成型件与树脂槽底部粘接紧密等问题。因此，目前采用的解决方法是在树脂槽底部增加由聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)制作的离型膜，并将离型膜在润滑油(氟油、硅油等)中浸泡，使润滑油进入PDMS材料的纳米缝隙中。然而，由于PDMS材料离型膜对润滑油的存储量十分有限，此方法在长时间大尺寸连续成型3D打印过程中，依然存在润滑液流失、树脂流动较慢、无法及时补充、离型膜与成型件粘接紧密、离型膜破裂等问题，影响了打印成功率及模型成型的质量。
发明内容
为解决上述大尺寸面曝光连续成型3D打印过程中PDMS离型膜润滑油流失较快的技术问题，本发明设计了一种离型膜改造的方案，主要是运用分形几何学知识及微尺度流体连续原理，在树脂槽底部离型膜表面增加一种分形几何微尺度储油沟槽，以实现更大容量的储油，保障大尺寸面曝光连续成型3D打印过程中树脂的流动补充更加及时、充分，避免因润滑液流失、离型膜破裂等问题，从而提高长时间打印过程的成功率及打印模型的成型质量，在此领域应用前景广，具有较高的实际应用及科研价值。
本发明主要面向大尺寸面曝光连续成型3D打印技术，通过对3D打印过程中树脂槽底部的离型膜进行改造，在其表面增加基于分形几何学设计的微尺度储油沟槽，以增加其对润滑液的储存能力，实现3D打印过程中离型膜表面润滑液的长时间供给，保障打印树脂的快速流动、及时补充，避免因润滑液流失导致的离型膜与成型件粘接紧密、离型膜破裂等问题，从而实现更长时间的大尺寸面曝光连续成型3D打印。
本发明采用的技术方案如下：
一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜包括五级分形微沟槽结构单元，具体而言，一级单元为边长110微米的正方形，深度为50微米；二级单元包括5个X型连接的一级单元，连接处线宽度为10微米；三级单元为5个X型连接的二级单元，边长为900微米；四级单元为5个X型连接的三级单元，边长为2700微米；以四级单元为基本图像，在离型膜上设计33×33个四级单元阵列，数字“1”代表有一个四级单元，“0”代表无四级单元。在离型膜上形成了五级单元结构。整个离型膜的长度和宽度均为2700μm×33个＝89.1mm。根据打印要求，离型膜的长、宽也可以调整，离型膜厚度为1-3mm范围。
所述五级分形几何微沟槽结构及离型膜均由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作，并固定在树脂槽底部玻璃平板上，润滑油可以存储在各级微沟槽中，实现及时润滑。由于沟槽特征尺寸仅为50微米，并考虑到润滑油与PDMS折射率较为匹配(约1.40)，对大尺度3D打印成型件的加工精度误差影响小于1％，即光路原因产生的精度误差小于0.5微米，完全可以忽略。
附图说明
图1离型膜分形几何储油微沟槽结构布置示意图及局部放大图(33×33个四级单元，五级单元交叉排布)
图2储油微沟槽各级分形结构图
图3表面增加分形几何储油微沟槽结构的离型膜安装在树脂槽底部实物图；(a)树脂槽单元整体图；(b)离型膜图
注释：
1.一级单元为最小正方形(边长110微米)；2.四级单元边长为2700微米，阵列排布在离型膜上；3.沟槽深度均为50微米。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施过程和效果进行进一步的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明提供一种面向大尺寸面曝光连续成型的PDMS离型膜储油结构设计及制作方法，通过分形几何学设计，PDMS离型膜表面增加一种微尺度储油沟槽，实现长时间提供润滑油。
一种表面增加分形几何微尺度储油沟槽的PDMS离型膜设计及制作方法，包括以下步骤：
步骤1：设计带有分形几何微沟槽的离型膜，形成储油沟槽结构；
步骤2：浇注PDMS薄膜(离型膜)；
步骤3：将离型膜在润滑油中浸泡10小时以上，使润滑油充分灌注在微沟槽内，避免气泡、杂质、灰尘粒子等因素的影响。
步骤4：安装离型膜在打印树脂槽的底部，开始进行面向大尺寸面曝光连续成型的打印实验。
步骤5：打印一定时间后，清除剩余的液体树脂，重新灌注润滑油，开始新一轮打印。
在离型膜上设计储油微沟槽结构以储存更多的润滑油，从而实现打印过程中润滑液的及时补充的步骤1包括：
在离型膜上添加分形几何，设计微尺度储油沟槽分形几何结构、尺寸。离型膜总面积约为89.1mm×89.1mm，在该面积上选用以110×110微米的方格为基础单位的分形几何单元，按照“10101010”，从有到无交替的方式铺满整个面积，如图1。储油沟槽部分细节五级分形几何图案如图2所示。
步骤2、浇注PDMS薄膜(离型膜)包括：
离型膜的作用是使打印物体与底面脱离，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作。
制作PDMS膜的过程如下：1、SYLGARD分为A、B两种胶体，按照10：1的比例进行混合；2、混合均匀后放到真空箱中抽出气泡；3、将混合溶液表面的气泡挑出；4、将混合溶液倒在玻璃上使用刮板刮平，吹走表面的气泡；5、将涂好混合溶液的玻璃放到加热台上，100℃的温度下加热1h，完成固化；
步骤3、将离型膜在润滑油中浸泡10小时以上，使润滑油充分灌注在微沟槽内，避免气泡、杂质、灰尘粒子等。
固化后的PDMS膜，在全氟碳中浸泡10小时制备超低粘合度界面(S-PDMS)作为新的离型膜来完成快速打印。使润滑油充分灌注在PDMS材料内的纳米级缝隙中，并充分灌注在微沟槽内，防止气泡、杂质、灰尘粒子等堵塞微沟槽，避免润滑油流动不畅，倒掉多余的氟化油。
安装离型膜在打印树脂槽的底部，开始进行面向大尺寸面曝光连续成型打印的步骤4包括：
树脂槽单元由透明材质(本实验中使用毛型玻璃)，橡胶垫片，离型膜(浇注了PDMS膜)和树脂槽构成，将其由下而上组装完成。该单元基本完成之后，进行连续成型打印实验，在打印过程中，在树脂槽底部置于一个相机，全程观测打印平台升降过程中润滑油的补充情况，及随着打印实体的体积变大，流失处的润滑油能不能及时补给过来。
步骤5、打印一定时间后，清除剩余的液体树脂，重新灌注润滑油，开始新一轮打印。
待打印完成之后，取下打印平台的打印实体，观察其成型情况。若打印实体表面质量良好，代表在打印过程中，润滑油的补充是及时的，分型沟槽的设计是非常有效的。将树脂槽内液体静置一段时间，使杂质沉淀之后，倒入树脂瓶中，回收再次利用。在下一轮打印实验开始之前，将离型膜在润滑油中浸泡10小时以上，倒掉多余润滑油，即可再次开始打印。
本发明的一种表面增加分形几何微尺度储油沟槽的PDMS离型膜具有以下优点：
1)提高离型膜表面的润滑液贮存量，由纳米级提高为10微米级，提高104倍；
2)各级单元相互连通，可以实现润滑油及时补充，保障打印树脂的充分流动；
3)不会对光路产生影响，可以实现长时间打印产品。

Claims (5)

1.一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜，其特征在于：PDMS离型膜包括五级分形微沟槽结构单元；
一级单元为边长110微米的正方形，深度为50微米；二级单元包括5个X型连接的一级单元，连接处线宽度为10微米；三级单元为5个X型连接的二级单元，边长为900微米；四级单元为5个X型连接的三级单元，边长为2700微米；以四级单元为基本图像，在离型膜上设计33×33个四级单元阵列，数字“1”代表有一个四级单元，“0”代表无四级单元；在离型膜上形成了五级单元结构；整个离型膜的长度和宽度均为2700μm×33个＝89.1mm；根据打印要求，离型膜的长、宽也可以调整，离型膜厚度为1-3mm范围；所述五级分形几何微沟槽结构及离型膜均由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制作，并固定在树脂槽底部玻璃平板上，润滑油存储在各级微沟槽中，实现及时润滑。
2.根据权利要求1所述的一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜，其特征在于：在离型膜表面增加分形几何微沟槽储油结构，运用分形几何学和流体力学知识设计为五级分形几何结构，储油微槽的尺寸和布局进行优化设计，分布更加合理，在大尺寸面曝光3D打印连续成型过程中润滑油及时补充；微结构的最小特性尺寸为50微米；离型膜表面最大无油槽尺寸仅为2.7mm，由其附近油槽进行快速补充。
3.根据权利要求1所述的一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜，其特征在于：润滑油通过连通线在方形储油槽相互之间流动。
4.根据权利要求1所述的一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜，其特征在于：离型膜上设计微沟槽，以此提高储油量。
5.根据权利要求1所述的一种表面增加分形几何微沟槽储油结构的PDMS离型膜，其特征在于：与树脂槽结构相结合，形成能够提高成型率的树脂槽单元；该树脂槽单元由透明材质、橡胶垫片、离型膜和树脂槽构成，将其由下而上组装完成。
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