(一)光掩膜成型工艺原理及工艺过程

1.光掩膜成型工艺原理 光掩膜成型技术也称立体光刻(Solid Ground Curing，简称SGC)技术。SGC技术实质上是3DP技术的扩展。3DP的成型方法是以激光束直接扫描树脂液面，而SGC技术是采用激光束或X射线，通过一个可编程的光掩膜，照射树脂直接成型。

如图2-71所示，光掩膜上的图形是依据掩膜设备在事先设定的模型片层参数控制下，利用电传照相技术，在板玻璃上进行静电喷涂，从而制成原型制件，其掩膜表面可透过激光或X射线。最终制成的原型制件可经过电铸处理形成零件的反模，再经过充模及脱模处理形成零件的模具，最后经电铸加工制成相应的产品。SGC工艺由于采用高能紫外激光器进行成型加工，因此其成型速度较快，可以省去支撑结构。

图2-71 SGC工艺原理示意图

1—罩生成板 2—电荷发生装置 3—罩生成装置 4—罩删除装置 5—石蜡 6—工作台 7—石蜡喷涂装置 8—冷却剂出口 9—石蜡冷却板 10—树脂清洁装置 11—树脂喷涂装置 12—遮蔽快门 13—UV紫外激光 14—零件切片截面

SGC技术最早是由以色列Cubital公司研制开发出的新型快速成型工艺方法，其与SLA原理大致相同但工艺不同。该成型系统采用紫外光进行光敏树脂的固化，曝光采用光学掩膜技术，采用电子成像系统在一块特殊的玻璃上通过曝光和高压充电过程，产生与截面形状一致的静电潜像，并吸附碳粉，形成截面形状的负像；紧接着以此片为准，用强紫外灯对涂敷的一层层光敏树脂进行曝光和固化；再将多余的树脂吸附，截面中的空隙部分用石蜡进行填充；最后用铣刀将每一层截面进行修平，并在此基础上进行下一个截面的曝光和固化。如此循环往复，直至最终制出模型制件。由于SGC的每层固化是瞬间完成的，因此SGC效率比SLA更高，且SGC的工作空间较大，可同时一次制作出多个模型制件。

图2-72所示为采用SGC技术制作的一个玩具车模型。

2.光掩膜成型工艺过程 如图2-73所示，光掩膜技术具体工艺步骤如下：

(1)利用切片软件对模型的三维造型进行切片。每层制作之前，先用光敏性树脂均匀铺覆工作台平面，如图2-73a所示。

(2)对每一层进行光掩膜加工工艺的操作，如图2-73b所示。

(3)再用强紫外线灯对其进行照射，暴露在上面的一层光敏性树脂被第一次

图2-72 采用SGC技术制作的玩具车模型

图2-73 光掩膜法的工艺步骤

1—喷洒树脂 2—紫外激光 3—罩 4—当前层 5—已加工好的层零件 6、10—真空吸附 7—紫外光源 8—残留树脂 9—蜡 11—旋转磨头

固化，如图2-73c所示。

(4)每一层固化完毕后，未固化的光敏性树脂被真空抽走，以便重复利用。固化过的那层光敏性树脂在一个更强的紫外线灯的照射下得以二次固化，如图2-73d所示。

(5)采用蜡填充被真空抽走的区域，然后通过冷却系统使蜡冷却和变硬，硬化后的蜡可作为支撑，如图2-73e所示。(www.daowen.com)

(6)将蜡、树脂层铺平，以便进行下一层的加工制作，如图2-73f所示。

(7)模型制件加工完毕后，将蜡去掉，打磨后即可得到模型或产品，而无需其他的后处理工序，如图2-73g所示。

3.光掩膜成型工艺的技术要求 为了得到较大型的超微细立体结构元件，需作深度的X射线光刻。模型制件的图形质量取决于X射线掩膜图形的精度、辐射过程的投影精度、光刻材料留膜率等因素。此外，对掩膜、光源、掩膜材料等也有一定的技术要求。

在制作复杂三维实体结构或不同高度的模型时，可以采用多次曝光的加工方法，即先制作出第一层图形，电铸加工得出金属图形后，再涂第二层光刻胶，并进行对准和曝光，然后电铸得出第二层金属图形，如此循环往复，直至加工出所需的模型制件。

(二)光掩膜成型技术优缺点

1.光掩膜成型技术的优点

(1)不需要单独设计支撑结构。

(2)模型的成型速度不受制件复杂程度的影响且成型速度快，成型效率高。

(3)树脂瞬时曝光，精度高。

(4)最适合制作多件原型。

(5)模型内应力小，变形小，适合制作大型件。

(6)在模型的制作过程中，若发现某一层有加工错误，则当时就可将错误层铣掉，再重新制作此层。

2.光掩膜成型技术的缺点

(1)树脂和用于支撑的石蜡浪费较大，工序复杂。

(2)设备占地大且噪声高，设备的维护费用昂贵。

(3)可选用的原材料较少且有毒，需密封避光保存。

(4)加工制作过程中，若感光过度，则会导致树脂材料失效。

(5)成型制件的后处理过程中需要进行除蜡等后处理工序。