光固化3D打印预览技术

2020-11-11 10:34:20 30

近期,高奕、徐磊、管清宝等学者在科爱出版社创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究性论文:光固化3D打印预览技术。

本文基于光固化动力学与反应机理,首次提出一种模拟逐层光固化3D打印的计算方法,使3D打印技术具有类似OFFICE软件的预览功能。本文以常用齿科光固化材料环氧丙烯酸树脂为例,将各种质量分数的树脂-引发剂体系置于不同光强下进行紫外光固化实验,获得光固化树脂3D打印所需技术参数,以此开发模拟软件,并根据实验结果对计算模型进行验证,实现制件的3D打印效果预览功能。


光固化3D打印技术使用紫外光对薄层液态光敏树脂照射堆叠成型,含有光引发的热固性液态树脂在紫外光照射下发生层层间的交联反应,因此,影响反应动力学的打印参数设置,如切片层厚、单层打印时间和紫外灯源光强等都将影响制品打印效果与质量,调试过程较二维印刷更为费时费力,易造成材料的浪费。相比较于内置打印预览功能的二维打印编辑软件如OFFICE系列、刀路预览功能的线切割加工软件等,目前增材制造特别是涉及交联反应的光固化3D打印控制软件除切片功能外,更需要引入打印预览功能。一方面帮助用户预览打印效果,针对性地对打印参数进行调整;另一方面针对不同光敏树脂耗材的导入图形自动设计和推荐打印设置方案,以减少用户为获得较好打印制件所需的调试时间。


为更准确地模拟不同树脂打印效果,除文献提出的默认参考值外,提出一种基于原位红外光谱与紫外光固化联用的模拟方法。与统计理论、渗透理论、分子动力学模拟理论等相比,光固化动力学更符合实际3D打印过程,且有较为成熟的交联反应动力学理论可供参考。本文以常用齿科光固化材料环氧丙烯酸树脂为例,结合3D打印层层堆叠机理和光固化交联动力学原理,模拟制件在不同打印参数设置下各层转化率分布情况,以展示预览功能的实现过程(图1A)。



链增长速率常数k_p和链终止速率常数k_t由原位 FT-IR 测量单体转化曲线拟合获得。使用两块Φ25 mm×4 mm KBr 盐片将 EA 树脂样品夹在中间,并用一片 d8×1 mm 环形 PMMA 薄片固定。仪器结构如图 2(B) 所示,样品在紫外光束的持续照射下发生聚合,使用红外光束探测官能团吸收特征峰。每隔 1.929秒采集红外光谱图,分辨率为 4 cm −1 ,以达到较高的时间分辨率。

图3表示单体浓度实验测量和计算结果。总体均方误差R2(公式1)用于评估实验值和模拟值匹配程度。模拟计算结果与实验测量值可以较好地匹配,说明动力学计算模型符合实验需要。


2.2 实际打印过程中参数优化与效果预览



图5比较了三种固化策略下对比同一模型成型效果。其中,图5(i)为固化模型设置;图5 (ii)为每层曝光5s,光吸收剂添加至背景吸光系数为10000m^(-1)时的固化结果;图5(iii)为悬空层每层减少0.524s,其他层固化时间不变时的固化结果;图5(iv)光强变为1/4,其它层固化时间不变时的固化结果;图5(v)背景吸光变为2倍,其它层固化时间不变时的固化结果。从图中可以看出,当每层曝光5s时,悬空层出现过度固化,适当减少悬空层曝光时间、降低光强或者增加背景吸收,在层与层保持良好连接的情况下,可提高细微结构的成型精度。



本文提出了一种基于光固化反应动力学的3D打印过程模拟计算方法,编写计算机程序对该过程进行模拟计算。同时,采用不同组分的光固化树脂与光引发剂对模拟结果进行验证。本文模拟计算涉及逐层光固化交联反应以及氧阻聚机理,实现了不同条件下光固化3D打印效果的预测。当采用不同反应体系时,可通过实时紫外光固化-红外光谱联用测试,对相应动力学输入参数进行修改,以满足计算需要。计算结果表明,固化条件设置对成型速度和质量有着显著的影响,动态切片以及自适应固化时间可在提升成型质量的同时减少所需时间。本文旨在为通用材料、模型的 3D 打印提供一种预览方法,以优化打印设置。


论文第一/通讯作者简介



高奕:清华大学能源与动力工程系 2018级直博生,研究方向为化学反应动力学。


徐磊: 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所副研究员,硕士生导师。现任江苏省农业科学院农用材料研究室主任,江苏省设施农业工程学会常务理事,江苏银宝农业科学研究院有限公司总经理。主要从事生物基功能材料的配方与工艺研发、产品创制等工作。主持参与省部级以上科研项目12项,在材料行业顶尖期刊发表学术论文13篇;授权3项发明专利,相关研究成果作价3000万元用于企业入股,得到了行业与产业的高度认可。


管清宝: 东华大学纤维材料改性国家重点实验室,材料科学与工程学院, 副研究员,硕士生导师。主要从事高性能液晶聚合物、3D打印等基础和应用研究。主持国家自然科学基金、东华大学-恒逸石化联合实验室、国网上海市电力公司科技项目等5项。于Nano Energy、Journal of Materials Chemistry A、Macromolecules、等期刊发表 SCI收录论文50余篇(其中,第一/通讯作者论文15篇);授权7项发明专利。



该研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、上海市一带一路先进纤维与低维材料联合实验室等项目的支持。


原文信息


Yi Gao#, Lei Xu#, Yang Zhao, Zhengwei You, Qingbao Guan*. 

3D printing preview for stereo-lithography based on photopolymerization kinetic models. 

Bioact Mater. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2020.05.006.



原文内容来源于BioactMater生物活性材料

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