投影曝光系統(tǒng)水凝膠齒輪結(jié)構(gòu)制造及其動力學(xué)仿真

褚洪匯,楊文廣,王 震

(煙臺大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院,山東 煙臺264005)

目前,微制造技術(shù)已經(jīng)成為各個領(lǐng)域廣泛研究的主題[1]。隨著4D打印的出現(xiàn),微制造技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。4D打印被定義為制造一個復(fù)雜的隨時間變化的自發(fā)結(jié)構(gòu),并且能夠以一種預(yù)期的方式來響應(yīng)外部刺激[2-3]。4D打印起源于3D打印,但超越了3D打印。雖然4D打印是在3D打印的基礎(chǔ)上發(fā)展的,但通過4D打印的結(jié)構(gòu)不再是靜止的,而是可以在外部刺激下,通過改變物體的尺寸、形狀、性質(zhì)和功能,轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)[4]。水凝膠是4D打印的一種主要材料,它具有三維親水聚合物網(wǎng)絡(luò),由于鏈之間存在交聯(lián),能夠吸收大量水并能保持自身整體性質(zhì)不變而被塑造成各種形狀,具有很強(qiáng)的可變形性[5]。智能或刺激響應(yīng)水凝膠受到特定的外部刺激(如光、溫度、酸堿度、離子濃度、電場、磁場)時,其物理或化學(xué)性質(zhì)可以以受控的方式改變[6-8]。對于各種智能水凝膠,刺激會使其產(chǎn)生膨脹變化,因?yàn)樗呐蛎浱匦?而被用于4D打印來創(chuàng)造出形狀變形的結(jié)構(gòu)。水凝膠因具有吸水性、可降解性、對藥物的緩釋性、生物相容性、環(huán)境敏感性、可打印性等優(yōu)點(diǎn),在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[9-10]。為了探究水凝膠的可打印性,使用投影曝光系統(tǒng),采用面投影的方式制備出水凝膠齒輪微結(jié)構(gòu),并對其運(yùn)動學(xué)性能進(jìn)行仿真來驗(yàn)證打印的穩(wěn)定性。

1 投影曝光系統(tǒng)

采用的投影曝光系統(tǒng)制造水凝膠微結(jié)構(gòu)的工作原理見圖1。工作流程:首先在打印之前,將圖案化的3D結(jié)構(gòu),利用畫圖軟件自定義設(shè)計(jì)出產(chǎn)品模型;然后通過計(jì)算機(jī)生成自定義設(shè)計(jì)模型的位圖文件,隨后將位圖文件輸入到數(shù)字微鏡裝置(DMD)的控制芯片中,根據(jù)不同的位圖文件,DMD的控制芯片會輸出不同的指令來控制DMD中每個微鏡的開關(guān)狀態(tài);由紫外(UV)激光器照射出的激光進(jìn)入到DMD中,反射出來的光束就會含有代加工圖案的信息,再經(jīng)過投影物鏡的作用投射在涂有水凝膠的加工平面,光敏材料在UV光的照射下發(fā)生固化作用, 能夠一次完成一層材料的固化加工;最后不斷地重復(fù)此加工步驟,將會得到圖案化的3D結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)私人定制[11-12]。其中對于曝光后圖案化結(jié)構(gòu)的厚度,可以通過兩種方式進(jìn)行控制:一是調(diào)節(jié)曝光時間,二是調(diào)節(jié)涂覆在玻璃上的預(yù)聚物溶液的厚度。與傳統(tǒng)的制備方法相比,該系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出無掩膜的制備方法,不僅能夠減少制備和更換掩膜板的步驟,而且能夠降低制備掩膜板的成本。采用數(shù)字掩膜,通過實(shí)時控制紫外光的曝光圖案,實(shí)現(xiàn)水凝膠的個性化定制加工的目的。采用面投影的方式,同時也可以實(shí)現(xiàn)水凝膠的動態(tài)批量加工,提高了制備效率,促進(jìn)了4D打印的發(fā)展。

圖1 投影曝光系統(tǒng)工作原理

2 建模與仿真

在實(shí)驗(yàn)室中,使用投影曝光系統(tǒng)和聚乙二醇丙烯酸酯(PEGDA)水凝膠材料,成功打印出齒輪微結(jié)構(gòu),對水凝膠可打印性進(jìn)行驗(yàn)證。通過光學(xué)圖像可以清晰地觀察出整個齒輪的打印過程(圖2)?；谕队捌毓庀到y(tǒng),使用面投影的方式,整個結(jié)構(gòu)的制備過程在4 s內(nèi)便可以完成,提高了效率。由光學(xué)圖可以看出水凝膠微齒輪呈現(xiàn)出比較清晰的輪廓,具有較高的分辨率,實(shí)現(xiàn)了圖案的定制化打印,驗(yàn)證了水凝膠的可打印性。通過實(shí)驗(yàn)制備出水凝膠齒輪來獲得具體參數(shù),將參數(shù)輸入到軟件中進(jìn)行仿真,來驗(yàn)證打印后水凝膠齒輪的運(yùn)動學(xué)性能。

圖2 基于投影曝光系統(tǒng)的水凝膠齒輪微結(jié)構(gòu)制造過程

為了對水凝膠齒輪在層流中的運(yùn)動學(xué)性能進(jìn)行研究,運(yùn)用COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行建模,仿真水凝膠齒輪在層流中運(yùn)動。任意選取某一瞬時,對水凝膠齒輪受到的速度、壓力以及外加載荷的情況進(jìn)行分析。建立的模型為水凝膠齒輪在層流中運(yùn)動的模型,其構(gòu)造如圖3。該模型為二維平面模型,在模型中采用了流-固耦合(FSI)物理場、不可壓縮流體。設(shè)置的流體條件:流體從左側(cè)通道流入,流經(jīng)齒輪,繼而從右側(cè)通道流出,流速恒為1×10-2m/s。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為:水凝膠齒輪會在流體的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖3 二維仿真模型

整個模型分為兩部分:流體域Ⅰ和固體域Ⅱ(即水凝膠齒輪),其中每部分的參數(shù)見表1和表2。

表1 模型中域的幾何參數(shù)

表2 模型中域的材料屬性

首先對斜齒輪在層流中的運(yùn)動速度進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果見圖4。圖中不同顏色代表不同速度,最大值可達(dá)1.6×10-2m/s,箭頭的方向代表著流體流動的方向,添加箭頭的目的是為了更清晰地表示出流體的入口和出口。當(dāng)流動的流體與固體結(jié)構(gòu)接觸時,齒輪結(jié)構(gòu)會受到力的作用,發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的速度大小取決于流體的壓力、流速以及齒輪結(jié)構(gòu)的材料屬性等。仿真結(jié)果表明:在某一瞬時,水凝膠齒輪左右兩側(cè)速度變化不大,而上下兩側(cè)由于齒輪結(jié)構(gòu)的影響,導(dǎo)致流體流動的通道變窄,從而使流體的速度發(fā)生較大變化,進(jìn)而會由流體帶動齒輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖4 齒輪速度

為了進(jìn)一步研究水凝膠齒輪在層流中的運(yùn)動特性,對水凝膠齒輪在流體中所受到的壓力進(jìn)行仿真,仿真的結(jié)果見圖5。圖中不同顏色代表著不同的壓力值。由圖5可知,水凝膠齒輪受到的壓力由入口處到出口處在不斷地衰減,其中在齒輪的尖端接觸面上壓力尤為集中,壓力最大值為45.85 Pa。正是由于這種不均衡的受力,使齒輪在流體流動的作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖5 齒輪壓力

在結(jié)構(gòu)力學(xué)部分(即固體域Ⅱ),通過軟件設(shè)置使流體不流經(jīng)齒輪中心處。而水凝膠齒輪的中間軸固定在流體域中心處,通過理論分析,除齒輪中心處外,水凝膠齒輪的其他所有邊界都會承受流體施加的載荷。水凝膠齒輪在層流域中實(shí)際所受到的邊界載荷的仿真圖見圖6,在流體的進(jìn)口處,載荷較大,分布比較集中,直接分布在齒輪的齒上,最大載荷可達(dá)45 N/m2;在流體的出口處,齒輪齒上受到的載荷較小,分布比較稀疏。

圖6 齒輪邊界載荷

3 總 結(jié)

基于投影曝光系統(tǒng)制造出了水凝膠齒輪,并對水凝膠的可打印性能進(jìn)行了研究。與傳統(tǒng)的制造方法相比較,該系統(tǒng)采用數(shù)字掩膜來代替?zhèn)鹘y(tǒng)掩膜,不僅能降低制備掩膜的成本,而且可以通過實(shí)時控制曝光圖案,實(shí)現(xiàn)水凝膠個性化定制加工的目的,同時也能夠?qū)崿F(xiàn)水凝膠的動態(tài)批量加工。通過COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行仿真,對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。當(dāng)水凝膠齒輪的中間軸固定在流體域的中心處時:水凝膠齒輪左右兩側(cè)流體的速度變化不大,而上下兩側(cè)流速變大,此時水凝膠齒輪能夠達(dá)到的最大速度為1.6×10-2m/s;水凝膠齒輪受到的壓力由入口處到出口處在不斷地衰減,其中在齒輪的尖端接觸面上壓力較為集中,壓力最大值為45.85 Pa;在流體的進(jìn)口處,載荷較大,分布比較集中,直接分布在齒輪的齒上,最大載荷為45 N/m2;在流體的出口處,齒輪齒上受到的載荷較小,分布比較稀疏。通過對仿真結(jié)果的分析可知,水凝膠材料不僅具有可打印性,而且能夠?qū)崿F(xiàn)圖案的定制化打印。對打印后結(jié)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真表明:水凝膠材料打印出的結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性,不發(fā)生變形和扭曲現(xiàn)象。因此水凝膠作為智能材料,可以被廣泛地使用在4D打印中,從而促進(jìn)微制造技術(shù)的發(fā)展。