光固化成型工藝的原理及特點

技術原理：SLA（Stereo Lithography Apparatus，光敏樹脂選擇性固化）。在液槽中充滿液态光敏樹脂，其在激光器所發射的紫外激光束照射下，會快速固化（SLA與SLS所用的激光不同，SLA 用的是紫外激光，而SLS用的是紅外激光）。在成型開始時，可升降工作台處于液面以下，剛好一個截面層厚的高度。通過透鏡聚焦後的激光束，按照機器指令将截面輪廓沿液面進行掃描。掃描區域的樹脂快速固化，從而完成一層截面的加工過程，得到一層塑料薄片。然後，工作台下降一層截面層厚的高度，再固化另一層截面。這樣層層疊加構成建構三維實體。

特點：

1.激光通過聚焦，光斑直徑<0.15mm

2.成型精度高，可成型精細結構（如戒指等）

3.可制作任意複雜結構（如建築模型、空心零件等)

4.表面光潔度高（表面Ra<0.1μm）

5.成型過程高度自動化，後處理簡單（點支撐，易去除）

6.材料利用率接近100%

光固化材料

1.稀釋單體種類對膠粘劑粘接強度的影響

通過實驗得知，當稀釋單體為四氫呋喃丙烯酸酯和丙烯異冰片酯時，相應膠粘劑的粘接強度相對較高，體積收縮率相對較低。這是由于這兩種稀釋單體均屬于單官能團單體，并且兩者側基體積均較大，故相應膠粘劑的體積收縮率均相對較低；另外，四氫呋喃丙烯酸酯對大多數塑料（包括PC）的溶脹能力均較強，從而有利于改善相應膠粘劑與塑料間的粘接強度。綜合考慮，本研究選擇四氫呋喃丙烯酸酯作為UV固化膠的稀釋單體。

2.偶聯劑種類及用量對膠粘劑粘接強度的影響

KH-560、KH570對膠粘劑附着力的貢獻相較大（這是由于前者分子中環氧基與PC的親和力較好，後者分子中雙鍵可在UV輻照下參與固化反應，故相應膠接件的剝離強度明顯提高）。綜合考慮，選擇KH-560為偶聯劑時較适宜。

通過實驗可知，膠粘劑剝離強度随KH-560用量增加基本上呈先快速上升後趨于穩定态勢；當w(KH-560）=1.50%時，膠粘劑的剝離強度相對最高。這是由于過少的KH-560不能完全潤濕、覆蓋被粘物表面，緻使膠接件的剝離強度相對較低；過多的KH-560會與水在膠接界面處發生縮合反應，緻使膠粘劑的剝離強度不升反降。綜合考慮成本與性能因素，選擇w(KH-560）=1.00%時較适宜。

▲圖片來源：網絡，中國同輻股份有限公司

3.填料種類及用量對膠粘劑粘接強度的影響

填料既可以調節體系黏度，又具有補強作用，因此填料種類對膠粘劑性能影響較大。在其他條件保持不變的前提下[如w(二官能團PUA)=64%、w(四氫呋喃丙烯酸酯)=30%、w(KH-560)=1.00%、w(填料)=2.0%和w(HCPK)=3.0%等]，通過改變填料類型來考察膠粘劑剝離強度的變化情況。

由實驗可知，膠粘劑的剝離強度随填料種類不同而異;當填料為 Ti02 時，相應膠粘劑的剝離強度相對最低;當填料為nano-Si02 時，相應膠粘劑的剝離強度相對最高。這是由于 Ti02 能吸收大量UV輻射能，緻使相應膠粘劑固化不完全，表現為膠粘劑的粘接強度極低；矽灰粉粒徑較大，會阻止UV深層固化，緻使相應膠粘劑的粘接強度相對較低;nano-CaC03 易吸濕，因而會嚴重影響UV固化膠的長期穩定性;nano-Si02既具有增黏作用，又賦予膠粘劑良好的粘接強度，因此本研究選擇其作為UV固化膠的填料。

4.光引發劑用量對膠粘劑粘接強度的影響

UV固化膠的性能與光引發劑種類及用量有關:一方面光引發劑種類必須與UV輻射源相匹配;另一方面光引發劑用量會直接影響臨界曝光量和透射深度，因而對膠粘劑的固化性能及固化深度影響較大。HCPK是常用的光引發劑，其最大吸收波長為333nm，與市售的主發射波長為365nm的UV輻射源相接近;同時其具有引發活性高、不易黃變和熱穩定性好等優點。因此，本研究選擇HCPK作為UV固化膠的光引發劑。

實驗得知，膠粘劑剝離強度随HCPK用量增加呈先快速上升後緩慢下降态勢;當 w(HCPK)=3.0%時，剝離強度相對最大。這是由于光引發劑用量過少時，膠粘劑固化不充分，表現為剝離強度相對較低光引發;劑用量過多時，體系中會殘留較多的引發劑，緻使膠粘劑的粘接強度和耐久性呈下降态勢。綜合考慮，選擇w(HCPK)=3.0%時較适宜。

以二官能團PUA(聚氨酯丙烯酸酯)為基體樹脂、四氫呋喃丙烯酸酯釋單體、r-縮水甘油醚基丙基三甲氧基矽烷(KH-560)為偶聯劑、HCPK(1-羟基環己基苯基甲酮)為光引發劑和nano-Si02(納米二氧化矽)為填料，成功制備出一種UV(紫外光)固化膠。将UV固化膠用于PC(聚碳酸酯)塑料片材的膠接，并以該膠接件的T型剝離強度作為考核指标，采用單因素試驗法優選出制備UV固化膠的較佳配方。結果表明:當w(二官能團PUA)=64%、w(HCPK)=3.0%、w(KH-560)=1.00% w(四氫呋喃丙烯酸酯)=30%和w(nano-Si02)=2.0%時，UV固化膠的剝離強度達到甚至超過市售同類産品。

固化膠及測試用樣品的制備

(1)UV固化膠的配制:用稀釋單體溶解HCPK，然後加入其他組分，攪拌均勻即可。

(2)PC膠接件的制備将兩塊相同尺寸的PC片材(300mmx25mm)膠接在一起(膠接面積為180mmx25mm，膠層厚度為0.02~0.03mm)，UV輻照下固化完全(UV輻射源的主波長為365nm，入射光強為60mW/cm2，光照時間為20s)。

光固化成型工藝的應用

激光快速成型技術可以在無需準備任何模具、刀具和工裝卡具的情況下生産出任意複雜形狀三維物理實體。這項技術的應用大大縮短新産品開發周期、降低開發成本、提高開發質量，目前已被廣泛應用于航天航空、機械制造、建築設計、工業設計、醫療、動漫、影視制作等多個行業。

▲3D打印在醫療方面的應用

文字摘抄于 《3D打印實務》江澤星著

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