·1554 工程科学学报，第43卷，第11期 件包括隔振平台、面投影紫外光机、光阑、凸透 曝光时间太短会导致固化层之间无法可靠粘结， 镜、反射镜、位移台、微立体光刻成型基底、树脂 甚至导致光敏树脂无法完全固化而变成在树脂液 槽以及控制计算机.其中微立体光刻成型基底与 中悬浮的絮状固化物，而光照强度太大或曝光时 位移台刚性连接，控制计算机可以通过控制位移 间太长会导致固化层厚度过大、成型精度低.考 台来调整微立体光刻成型基底的位置，同时控制 虑到岩心模型的特征尺寸较小，故应选用较小的 计算机也可通过控制光机的光照时序进行逐层微 固化层厚来获得较高的打印精度.通过如下公式 立体光刻制造.该设备可打印具有良好透光性、 并结合固化成型效果可对光照强度、曝光时间等 流动性及较高打印精度的光敏树脂耗材，可固化 参数进行调试设置 成型百微米级别的特征结构尺寸，同时由于光敏 Cd=Dpln Emax (1) 树脂具有良好的透光性，因此微立体光刻成型的 岩心模型内部结构也可被观察 Emax=ISt (2) Darkroom 其中，D。为光敏树脂透射深度，mm;Emax为成型面 UV machine 所接收到的能量，J:E。为光敏树脂临界固化所需 Vertical stage 要光能，J:Ca为固化深度，mm;I为光功率密度， Wmm2;S为成型面积，mm2;t为曝光时间，s. 将光照强度、曝光时间、每层成型厚度等参数 调试至最佳后该微立体光刻设备才可制造具有较 高精度的三维岩心模型.通过多次固化成型并测 Vibration isolator 量统计，得出单像素成型尺寸为6.55um,成型尺 寸误差小于0.15m,相对误差小于2%，满足岩心 图1微立体光刻设备 模型制造要求 Fig.1 Micro-stereolithography system 1.4岩心模型打印原理 1.2光路系统 岩心模型的微立体光刻制造采用逐层固化的 岩心模型具有复杂的空间微纳结构，普通面 方式进行.首先，在计算机辅助设计软件中建立模 投影立体光刻无法满足岩心模型制造所需精度要 拟岩心三维结构模型，对模型进行层切片得到所 求，因此该微立体光刻制造系统采用组合光路将 需的每个打印幅面图形.其次，将切片图像导入控 面投影光机成像面尺寸聚焦，以此提高光照精度 制计算机中，由程序控制光机的紫外光光照时序、 并获得高精度的固化成型效果.成型件的精度主 投影图像以及微立体光刻成型基底的移动.然后， 要由DMD芯片的分辨率和光路的缩放倍数共同 在控制程序的执行下液态微立体光刻树脂将会逐 决定，本实验采用PRO6500型光学引擎，其DMD 层固化并与前一固化层相互粘结堆积，最终形成 芯片TI DLP6500分辨率为1920×1080，其微镜阵 三维岩心模型实体.最后，将成型的三维模型用丙 列对角线为16.51mm,即DMD芯片尺寸为16.51mm× 酮溶液浸泡溶去表面的残留树脂，去离子水清洗、 9.29mm.光路中，光阑通过控制光束的通过数量 干燥后则可得到如图2所示的复杂三维模型.采 进而调节光束的强弱，使投影到成型基底的紫外 用微立体光刻制造的多孔介质岩心模型具有良好 光图案不受杂光的影响以提高成型质量；凸透镜 作为聚焦元件控制紫外光图案的缩放倍数以缩小 单像素尺寸；反射镜可以改变光传播的途径，使成 像平面变为水平面以便于液态树脂光固化成型 最终，成型幅面尺寸被调整为12.4mm×7mm,得到 最终成型面单像素尺寸为6.48m 1.3固化参数 模型的成型精度与立体光刻系统中的光照强 度、曝光时间、每层成型厚度等参数密切相关.为 提高逐层固化过程中三维结构的制造精度，需要 图2复杂空间网状结构打印效果图 对这些参数进行精密调试.其中光照强度太小或 Fig.2 Print effect diagram of a complex space mesh structure件包括隔振平台、面投影紫外光机、光阑、凸透 镜、反射镜、位移台、微立体光刻成型基底、树脂 槽以及控制计算机. 其中微立体光刻成型基底与 位移台刚性连接，控制计算机可以通过控制位移 台来调整微立体光刻成型基底的位置，同时控制 计算机也可通过控制光机的光照时序进行逐层微 立体光刻制造. 该设备可打印具有良好透光性、 流动性及较高打印精度的光敏树脂耗材，可固化 成型百微米级别的特征结构尺寸，同时由于光敏 树脂具有良好的透光性，因此微立体光刻成型的 岩心模型内部结构也可被观察. UV machine Vertical stage Darkroom Optical system Resin pool Vibration isolator 图 1    微立体光刻设备 Fig.1    Micro-stereolithography system 1.2    光路系统 岩心模型具有复杂的空间微纳结构，普通面 投影立体光刻无法满足岩心模型制造所需精度要 求，因此该微立体光刻制造系统采用组合光路将 面投影光机成像面尺寸聚焦，以此提高光照精度 并获得高精度的固化成型效果. 成型件的精度主 要由 DMD 芯片的分辨率和光路的缩放倍数共同 决定，本实验采用 PRO 6500 型光学引擎，其 DMD 芯片 TI DLP6500 分辨率为 1920 × 1080，其微镜阵 列对角线为16.51 mm，即DMD 芯片尺寸为16.51 mm× 9.29 mm. 光路中，光阑通过控制光束的通过数量 进而调节光束的强弱，使投影到成型基底的紫外 光图案不受杂光的影响以提高成型质量；凸透镜 作为聚焦元件控制紫外光图案的缩放倍数以缩小 单像素尺寸；反射镜可以改变光传播的途径，使成 像平面变为水平面以便于液态树脂光固化成型. 最终，成型幅面尺寸被调整为 12.4 mm×7 mm，得到 最终成型面单像素尺寸为 6.48 μm. 1.3    固化参数 模型的成型精度与立体光刻系统中的光照强 度、曝光时间、每层成型厚度等参数密切相关. 为 提高逐层固化过程中三维结构的制造精度，需要 对这些参数进行精密调试. 其中光照强度太小或 曝光时间太短会导致固化层之间无法可靠粘结， 甚至导致光敏树脂无法完全固化而变成在树脂液 中悬浮的絮状固化物，而光照强度太大或曝光时 间太长会导致固化层厚度过大、成型精度低. 考 虑到岩心模型的特征尺寸较小，故应选用较小的 固化层厚来获得较高的打印精度. 通过如下公式 并结合固化成型效果可对光照强度、曝光时间等 参数进行调试设置. Cd = Dp ln( Emax Ec ) （1） Emax = IS t （2） I S t 其中，Dp 为光敏树脂透射深度，mm；Emax 为成型面 所接收到的能量，J；Ec 为光敏树脂临界固化所需 要光能， J；Cd 为固化深度，mm； 为光功率密度， W·mm−2 ； 为成型面积，mm2 ； 为曝光时间，s. 将光照强度、曝光时间、每层成型厚度等参数 调试至最佳后该微立体光刻设备才可制造具有较 高精度的三维岩心模型. 通过多次固化成型并测 量统计，得出单像素成型尺寸为 6.55 μm，成型尺 寸误差小于 0.15 μm，相对误差小于 2%，满足岩心 模型制造要求. 1.4    岩心模型打印原理 岩心模型的微立体光刻制造采用逐层固化的 方式进行. 首先，在计算机辅助设计软件中建立模 拟岩心三维结构模型，对模型进行层切片得到所 需的每个打印幅面图形. 其次，将切片图像导入控 制计算机中，由程序控制光机的紫外光光照时序、 投影图像以及微立体光刻成型基底的移动. 然后， 在控制程序的执行下液态微立体光刻树脂将会逐 层固化并与前一固化层相互粘结堆积，最终形成 三维岩心模型实体. 最后，将成型的三维模型用丙 酮溶液浸泡溶去表面的残留树脂，去离子水清洗、 干燥后则可得到如图 2 所示的复杂三维模型. 采 用微立体光刻制造的多孔介质岩心模型具有良好 图 2    复杂空间网状结构打印效果图 Fig.2    Print effect diagram of a complex space mesh structure · 1554 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期