光造型技术在微机电系统中的应用研究

　　国在微机电系统研究方面的水平同国际水平正逐渐拉大,国际上已形成一批成熟的技术和商品,而国内基本上还停留在元器件的实验室研制阶段,且较少涉足光、化学、生物等的微机电系统。

　　1　微细加工技术的选择

　　伴随着微机械应用领域的扩大,为了克服硅加工技术加工自由度小的缺点,可加工出更复杂微细结构的、加工自由度大的微细加工技术相继出现。如LIGA和准LIGA、微型放电加工　　(EDM)、光造型(stereolithography,SL)技术等的微细加工技术[1],这几种技术与硅加工技术具有互补性。

　　同其它微细加工技术相比,自由度较大、制作复杂结构能力较强的SL技术具有以下优点:从设计到获得原型的时间短、结构设计自由化、加工自动化、设备投资小。

　　SL技术是快速成形(RPM)技术中应用最为成熟的一种。SL得到的固化单元尺寸小,热变形小,材料无空隙,是诸成形技术中精度最高的,因此最有可能适合制作微机械[2]。

　　2　研究的进展情况

　　SL技术的原理是,由切片软件对零件的CAD模型进行切片分层,经计算机处理后的切片数据用来控制曝光头在成形材料表面有选择地扫描固化,形成所需的2维图形,1层扫描结束后,升降台移动1层厚度,然后进行第2层扫描,刚固化的1层与上层粘牢,如此层层堆积直至整个成形过程结束。

　　在利用SL技术制作微机械的研究过程中,我们在以下方面有所进展和创新:

　　2.1　STL文件纠错

　　STL文件所描述的正确实体数据模型应满足以下3条法则:右手法则、顶点法则、边法则。用足够小的三角形来描述实体,拟合的误差会不可避免地产生。大多商用CAD软件在生成STL文件时都会或多或少地出现错误或缺陷,尤其是在制作微机械时有些是一些无法恢复的错误。模型越复杂,精度要求越高,转化过程中可能出现的错误或缺陷就会越多,导致切片或加工零件失败。

　　我们开发了STL文件纠错处理软件,基本满足了微机械的加工要求,同时也保证了与其它快速成形系统的兼容性。

　　2.2　直接切片

　　CAD直接法直接利用商用CAD软件系统的功能,对CAD实体模型进行截面求交运算,得到层片厚度和层面轮廓信息。在此基础上,产生出离散的光造型扫描数据。这一方法可以避免因小三角形平面模拟而产生的逼近误差,更适合于微系统。

　　在设计分层处理软件时,针对微机械的特点,提高模型的处理精度是软件设计的关键。切片分层对精度的影响常常表现在2个方面:阶梯效果(原型的表面是CAD模型表面的一个阶梯近似)和包容问题(原型的轮廓与实际的轮廓相差较大,有包容和被包容2种情况,见图1),两者均与切片方法有关,并最终影响产品的表面质量。为解决阶梯效果问题及包容问题,需自行设计适合于微机械快速成形的切片软件。