基于数字微反射镜器件的快速成形系统

　　1　引　　言

　　随着国防、微电子、现代医学以及生物工程等技术的发展,对三维微小零件(特征尺寸在微米级到毫米级)的需求日益迫切,因此,发展三维微小零件的制造技术具有重要意义[1,2]。基于离散/堆积原理的快速成形技术能准确制作具有复杂曲面的微小零件,和去除材料的加工方法相比,其制作时间、成本等与零件的复杂程度无关;还能制作具有复杂内腔或者复杂内流道的零件,因此,快速成形(SL)技术在三维微小零件制造技术中具有极大的潜力和应用前景[3,4]。光固化法是现有快速成形技术中精度最高、表面质量最好的技术,故实现微小结构制作的快速成形技术研究多采用光固化法[3,5]。根据固化单元不同,微型光固化技术可分为扫描法和整层曝光法[6]。扫描法是对传统扫描固化工艺的改进,采用单膜激光器,聚焦后光斑直径最小可达到1μm,由工作台运动完成光斑的精确扫描,实现微细结构的制作[7~10]。该方法采用激光器作光源,系统成本高。整层曝光法的原理为:在光路中设置以空间光调制器(SLM)为核心的视图发生器[11],视图发生器在树脂表面形成零件截面视图,用该视图为掩模,实现对树脂的选择性固化[3,7]。该成形方法的优点是:能以可见光作光源,系统成本较低;整层树脂一次曝光固化,制作时间短。该方法多采用LCD作为视图发生器,构建用于微器件制作的快速成形系统[12~14]。但光束透过LCD时有较大的能量损失,LCD的对比度较低,影响细微结构特征的精确制作。

　　本文构建了以数字微反射镜器件(DMD)为核心的视图发生器,利用该视图发生器生成的零件分层截面视图作为动态掩模,实现对光敏树脂整层曝光固化;建立了基于DMD的面曝光快速成形试验系统。对该系统视图平面紫外光强分布进行了研究,建立了光强分布关于被测点位置及视图灰度的关系模型,利用该模型实现了视图平面紫外光强分布的均匀化。

　　2　视图发生器的构建

　　2.1　DMD及其特点

　　DMD结构为:在硅基底上用扭臂铰链安装了许多可倾斜的微反射镜,在每个微镜下面,用CMOS工艺制作出存储器单元,根据存储器内容的不同,微镜单元分别倾斜不同的角度(12°, -12°)[15]。将DMD置于光路中,光源的光线照射到镜面时,若微镜倾斜12°,光线被反射进入光学系统的入射孔,视图中对应像素变亮;若微镜倾斜-12°时,光线被反射到光线吸收板上,不能进入光学系统入射孔,视图中对应像素变暗。

　　和LCD相比,DMD具有很多优点:首先DMD有更高的光调制效率,若以DMD为核心构建快速成形系统,该快速成形系统将具有更高的曝光量,使得成形速度更快,成形效率更高;DMD具有更小的像素尺寸,使以DMD为掩模的快速成形系统能制作微小结构的最小单元尺寸更小,有利于提高制作分辨率;DMD具有更高的对比度,使得以DMD为核心构建视图发生器所产生的视图明暗对比更为清晰,用于整层曝光快速成形系统时,制作的微细结构也更为清晰。DMD具有更高的开关速度,使得以DMD为核心的视图发生器更易实现像素级的灰度调制,用于整层曝光的快速成形系统制作微细结构时,更容易实现曝光量的精确控制,有利于微小结构的制作和精度控制。