一篇文章让你彻底了解光固化3D打印

一篇文章让你彻底了解光固化3D打印

2020-11-11 10:43:44 29

作为前沿和领先的新兴制造技术之一,3D打印正在引领全球工业进行第三次工业革命,深刻改变传统的生产方法和生产过程。近年来,国内外新闻媒体、金融界和科技界都开始关注3D打印技术,政府各部门也开始关注和制定3D打印技术的发展规划。

光固化3D打印技术简介。

立体光刻设备是最早的3D打印技术,也是目前比较成熟的3D打印技术。1986年,美国ChalesHull发明了第一台基于光固化技术的3D打印机,成立了3DSystems公司。此后,许多关于快速成型的概念和技术得到了迅速发展。该技术的基本原理是利用材料的堆积成型,将三维目标零件的形状分成若干个平面层,用一定波长的光束扫描液态光敏树脂,使每层液态光敏树脂的扫描部分固化成型,而未被光束照射的部分仍为液态,最后每层堆积成所需的目标零件,材料利用率可接近100%。


光固化三维打印技术的核心问题。

材料是三维打印技术的基础和制约因素,立体光刻设备技术的核心问题之一是光敏树脂的开发。3D打印用光敏树脂必须具有低挥发性、低粘度、稳定性好、固化快、收缩率低、固化后机械性能和热稳定性好;此外,印刷工艺及其成型产品应无毒,无刺激性气味。因此,本文主要介绍光固化三维打印技术的材料及相关研究,并简要介绍光固化三维打印技术及其应用。包括光固化在内的3D打印技术的发展,为技术创新增添了活力,是对传统材料成型技术的有益补充。


光固化3D打印技术。

所用材料的成分和功能。

产品成型时,光固化3D打印技术往往需要支撑结构,因此光固化3D打印材料包括支撑材料和光固化固体材料(光敏树脂),支撑材料又可分为相变蜡和光固化支撑材料。


辅助材料。

支撑材料用于填充成型产品的中空或悬空部分,起到支撑作用。当温度被加热到高于其熔点时,固态相变蜡变成液态,从喷嘴喷出,然后由于温度的降低而再次变成固态。相变蜡作为一种支撑材料,原料便宜,喷嘴堵塞后容易处理,但混合蜡的相变熔化温度较高。光固化支撑材料也是光敏树脂,在相对较低的温度下喷涂时具有低收缩和高稳定性的优点。但是支撑材料容易堵塞印刷喷嘴,难以去除,因此容易损坏喷嘴。


固体材料。

固体材料是光固化3D打印用光敏树脂,由齐聚物、活性单体、光引发剂和少量其他添加剂组成。


低聚物。

光敏树脂组分中的齐聚物(低聚物)是含有不饱和官能团的低分子聚合物,齐聚物的分子末端有用于光固化反应的活性基团,主要是不饱和双键和环氧基等。一旦聚合开始,分子量会迅速增加,并迅速固化成固体。低聚物是光敏树脂配方中最大、最基本的成分,对光敏树脂的加工性能和光固化产品的基本物理化学性能起着决定性的作用。因此,在光敏树脂的配方体系中,选择合适的低聚物非常重要。实践中使用的低聚物必须是无毒或低毒、低气味和非挥发性的低分子聚合物。常用的低聚物包括聚丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂和聚氨酯丙烯酸树脂。


活性单体。

活性单体具有活性官能团,也称为活性稀释剂,在光敏树脂的配方中也起着重要的作用和影响。活性单体可以用来降低光敏树脂体系的粘度,避免印刷喷头堵塞;它还参与光固化反应的全过程,对聚合反应的进行和成型制品的物理性能有重要影响。活性单体主要有丙烯酸酯、乙烯基醚等。


光引发剂。

光引发剂是一种能够引发聚合的化合物,对光固化反应的速度和光固化材料的质量起着决定性的作用,是光敏树脂配方体系中最关键的成分。引发机理是光引发剂吸收具有适当能量的光子,或者光敏剂吸收光能后将能量传递给光引发剂,光引发剂吸收能量后从基态激发到激发态。如果激发状态的能量大于引发剂中弱键断裂的键能,弱键断裂将产生初级活性种。光引发剂由于光子能量吸收的不同,可以分为紫外光引发剂和可见光引发剂。根据活性物种的不同,可分为自由基型和阳离子型。自由基光引发剂主要有安息香及其醚类衍生物、二苯甲酮等。阳离子光引发剂包括重氮盐、二芳基碘盐、铁芳烃盐等。


其他辅助设备。

实际使用的光敏树脂配方除了齐聚物、活性单体和光引发剂外,还含有一些其他添加剂。根据光敏树脂的应用不同,添加剂也不同。例如,填料的加入可以提高树脂的力学性能,降低固化后的收缩率,但会增加树脂的粘度,不宜大量加入;流平剂可以增加树脂的流动性,可以适量添加,有助于使光敏树脂的液面平滑。虽然这些添加剂在感光树脂的配方中没有上述三种成分重要,但对产品的最终质量仍然至关重要。目前,光敏树脂中常用的添加剂包括填料、流平剂、阻聚剂、颜料、分散剂、光稳定剂、表面活性剂和消光剂。


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