王東峰

（菏澤學院蔣震機電工程學院 山東 菏澤 274000）

光固化成型3D打印材料應(yīng)用研究

王東峰

（菏澤學院蔣震機電工程學院 山東 菏澤 274000）

3D打印技術(shù)因其靈活、便捷的特點獲得廣泛應(yīng)用，光固化成型作為3D打印技術(shù)主要技術(shù)之一，近些年來取得飛速發(fā)展，其發(fā)展的核心環(huán)節(jié)是打印材料。文章首先介紹了3D打印技術(shù)的概念以及分類，以及光固化成型加工的特點及工藝過程，分析了光固化成型加工材料的基本要求。研究了目前主流的光固化成型材料光敏樹脂的基本組成部分及市場化應(yīng)用情況。文章通過對現(xiàn)有光固化成材料的應(yīng)用情況，分析了光固化成型3D打印材料未來的發(fā)展趨勢。

材料加工工程；3D打??；光固化成型；光敏樹脂

1 概述

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)作為一種新興加工技術(shù)，因其靈活、便捷的特點近些年來在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用[1]。由于受到國家層面的重視與政策引導，3D打印技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展十分火熱[2]，在諸如機械制造、航空航天、生物醫(yī)藥、藝術(shù)設(shè)計等多個領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。所謂3D打印技術(shù)是增材制造（Additive Manufacturing）技術(shù)的通俗叫法[3]。和傳統(tǒng)打印技術(shù)相比，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)三維坐標系內(nèi)的打印，將原有打印范圍從平面像三維立體擴展。3D打印技術(shù)是在上世紀八十年代誕生的快速成型（Rapid Prototyping）技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，又被稱為分層制造（Layered Manufacturing）技術(shù)。3D打印技術(shù)的基本原理是將體轉(zhuǎn)化為面進行加工，相比于傳統(tǒng)加工方式其有加工更為靈活、效率更高、節(jié)約材料，更容易實現(xiàn)自動化等特點。3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，其全球市場規(guī)模連年快速增長，有望在2018年突破150億美元[4]。

1.2 光固化成型技術(shù)

光固化成型（SLA）技術(shù)是3D打印技術(shù)的一個重要分支。3D打印技術(shù)具體可分為以下幾種:光固化快速成型（SLA）、熔融沉積型（FDM）、激光粉末燒結(jié)（SLS）、數(shù)字光處理成型（DLP）和分層實體制造（LOM）等[5]。SLA（Stereo Lithigraphy Apparatus）技術(shù)最早由美國的3D Systerm公司的創(chuàng)始人Clales Hull于上世紀八十年代進行了商品化，作為發(fā)展較早3D打印技術(shù)之一，光固化快速成型技術(shù)目前發(fā)展已較為成熟獲得廣泛的應(yīng)用[6，7]。SLA作為粘合型3D打印的代表技術(shù)，相比于沉積型3D打印技術(shù)其具備更高的精度和材料利用率。SLA的基本加工原理是利用光能將加工材料進行選擇性固化，通過層層累積的方式獲得最終成品，其加工的基本工藝流程如下：（1）將三維立體添加必要支撐。（2）將添加支撐后的立體進行分層和加工路徑規(guī)劃。（3）激光器按照規(guī)劃路徑對一個層面內(nèi)的加工材料進行選擇性固化。（4）加工工作臺下降一個層厚，并對零位液面進行涂覆。（5）重復以上兩個步驟直至所有層面加工完畢，工作臺上升。（6）對工件進行去支撐、清洗，獲得所需工件。

相比于FDM工藝，SLA工藝的層厚控制精度更高，因而臺階效應(yīng)較弱，并且激光照射點位移速度較快，其成型速度更快、效率更高。但由于加工過程中隨著加工材料的固化，其體積隨之發(fā)生變化，從而纏身不小的體收縮率和線收縮率，對加工精度產(chǎn)生不利影響。

2 SLA加工材料

光固化成型加工涉及諸如機械、光學、材料等多學科領(lǐng)域，但材料作為其加工中最為重要的一環(huán)是SLA的核心關(guān)鍵[8]。一方面隨著加工材料的發(fā)展能推動SLA的推廣，另一方面加工材料的發(fā)展滯后也必然阻礙SLA的廣泛應(yīng)用。

2.1 SLA加工材料的基本要求

為了適應(yīng)SLA的加工方式，使加工能夠進行、獲得質(zhì)量較高的加工產(chǎn)品以及具備良好的加工工藝性，SLA加工材料應(yīng)具備以下幾點要求。

2.1.1 受到加工光照迅速固化

當激光光源選擇性照射到加工材料時，其產(chǎn)生固化，這是加工能夠?qū)崿F(xiàn)的最根本基礎(chǔ)。對于SLA加工，光源的移動速度越快其效率越高，因此必須保證加工材料在被光源照射到之后盡可能快速地固化。若凝固時間過長，材料長時間處于半固體狀態(tài)會產(chǎn)生軟粘效應(yīng)，影響后續(xù)對后續(xù)層片的支撐，從而使加工精度降低。

2.1.2 加工固化后質(zhì)量高

SLA加工的產(chǎn)品通常作為最終產(chǎn)品或進行翻模加工，因此要求加工材料成型后具有較高的表面質(zhì)量。能夠便捷加工不規(guī)則異形體是SLA加工的優(yōu)點之一，而不規(guī)則的異形體通常在成型之后很難進行進一步高精度的加工，因此通過光固化過程擁有良好的表面質(zhì)量是SLA加工材料基本要求。SLA材料在加工后應(yīng)還當具備良好的力學性能、熱穩(wěn)定性以及抗腐蝕能力。

2.1.3 非加工狀態(tài)下穩(wěn)定性好

目前主流SLA加工設(shè)備都是采用紫外線作為加工光源，其加工材料對自然光敏感性不能過強。如果在自然光下發(fā)生聚合，產(chǎn)生變質(zhì)甚至固化，必然會增大材料的儲存難度，提高了對加工環(huán)境的要求。加工材料的穩(wěn)定性還體現(xiàn)在其不易發(fā)生揮發(fā)，從而降低材料的非必要損耗。

2.1.4 其它方面要求

除了上述三種基本要求之外，SLA材料還應(yīng)當具有環(huán)境友好性，應(yīng)當是無毒、無污染的，以避免對加工者和環(huán)境造成危害。為了減少加工誤差提高加工質(zhì)量。加工材質(zhì)應(yīng)具備較小的收縮率和較低的粘度。為了能使SLA加工更易推廣，SLA材料還應(yīng)當具有較低的成本[9]。

2.2 光敏樹脂

基于SLA加工方式的要求，光敏樹脂類材料成為了目前應(yīng)用最為廣泛、主流的光固化成型3D打印材料。所謂光敏樹脂又被成為UV（Ultraviolet Rays）樹脂，是一種對紫外線敏感的正常（加工之前）形態(tài)為液態(tài)的樹脂[10]。目前應(yīng)用的光敏樹脂有多種，其成分也不盡相同。但典型SLA用光敏樹脂均由以下幾種基本成分組成。

2.2.1 低分子聚合物

低分子聚合物（低聚物）又被成為齊聚物，是組成光敏樹脂最基本也是最主要的組成物質(zhì)[11]。齊聚物中含有大量的不飽和官能團以及對紫外線敏感的活性基團，因而可以使光敏樹脂在加工受到紫外線照射時發(fā)生聚合反應(yīng)，可以完成由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變。光敏樹脂的很多性能如凝固速度、凝固收縮率、揮發(fā)性、力學性能等都是有低聚物決定的。低聚物的種類決定了光敏樹脂的種類，目前應(yīng)用較多的有丙烯酸酯類和不飽和聚酯類等。

2.2.2 活性單體

所謂活性單體是指光敏樹脂中的反應(yīng)性稀釋劑，其在光敏樹脂中的含量雖不如低分子聚合物，但其在SLA加工過程中發(fā)揮著不可或缺的作用，是光敏樹脂的基本成分之一[12]。它的主要作用是調(diào)節(jié)光敏樹脂的粘度，粘度過低則對快速固化不利，粘度過高影響涂覆刮板在層間加工時的涂覆。根據(jù)固化加工系統(tǒng)不同，采用的反應(yīng)性稀釋劑也不盡相同，常用的有乙烯基類和丙烯酸酯類。

2.2.3 光引發(fā)劑

光引發(fā)劑相比于上面兩種成分在光敏樹脂中的含量更少，一般不到百分之五。但它在加工的過程中扮演著最為重要的角色，是光源能量和低聚物之間的傳遞者。光引發(fā)劑可以吸收紫外線中的能量而轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂苫w并具備一定的活性，促進低聚物聚合反應(yīng)的發(fā)生。由于SLA所用光源多為紫外線，因此光敏樹脂的主流引發(fā)劑為紫外線光引發(fā)劑。其它類型的光引發(fā)劑研發(fā)及應(yīng)用均較少。

2.2.4 其它物質(zhì)

為了滿足不同的加工需求，不同的光敏樹脂中還會有還含有其它物質(zhì)。例如使打印產(chǎn)品具有不同顏色的染色劑，防止光敏樹脂在加工過程中產(chǎn)生過多氣泡影響加工質(zhì)量的消泡劑，改善光敏樹脂力學特性的填料等。這部分物質(zhì)使光敏樹脂擁有了滿足特定需求的個性。

2.3 產(chǎn)品化的SLA材料

發(fā)達國家對光敏樹脂的研究起步較早，在材料產(chǎn)業(yè)化方面處于領(lǐng)先地位，以至于一段時間內(nèi)國內(nèi)的SLA用材被國外公司壟斷[13]。隨著國內(nèi)一些高校和研究機構(gòu)近些年來的自主研發(fā)，國內(nèi)光敏樹脂被國外公司壟斷情況有所好轉(zhuǎn)。

目前主流的產(chǎn)品化SLA材料有美國3D Systerm公司生產(chǎn)的ACCURA系列、荷蘭DSM基團下屬的DSM Desotech公司生產(chǎn)的SOMOS系列、美國Vantico公司生產(chǎn)的SL系列等[14]。除此之外還有以色列的Object、德國的EOS等公司也有各自的產(chǎn)品系列。隨著光引發(fā)劑等系列技術(shù)難題的克服，國內(nèi)光敏樹脂產(chǎn)業(yè)也取得飛速發(fā)展。西安交通大學自主研發(fā)出了的SPR、CPR光敏樹脂系列占有一定的國內(nèi)市場份額。青島中科新材料公司研發(fā)出了低收縮率適用于高精度3D打印的光明樹脂等[15]。

3 發(fā)展趨勢

SLA加工和光敏樹脂，從新興事物到慢慢為人們所熟知獲得廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展歷程，但其仍有許多問題需要在今后的發(fā)展中進行完善。光固化成型材料未來的發(fā)展方向有以下三個方面。

3.1 種類多樣化

目前來說已有多種光敏樹脂應(yīng)用于實際SLA加工，但和傳統(tǒng)加工方式的可選用材料相比，光敏樹脂的種類仍然不夠細化。而且目前對于新型光敏樹脂的研發(fā)多處于無序狀態(tài)，未來應(yīng)針對不同領(lǐng)域不同需求（如固化特性、力學性能）將光敏樹脂進一筆種類系列化、細分化。光敏樹脂是目前主流的SLA打印材料，但其有自身的固有缺點，可考慮其它類材料的開發(fā)。

3.2 改性研究

所謂光敏樹脂改性是指通過在光敏樹脂中加入基本成分之外的添加物質(zhì)，從而實現(xiàn)提升光敏樹脂的加工性能[16]。例如加入不同的添加劑可減少光明樹脂的收縮率、避免出現(xiàn)翹曲、改善力學性能等。目前已有許多高校和機構(gòu)開始著手，未來仍是一個重要方向。

3.3 增強工藝性

首先是對環(huán)境和人類的友好性。目前很多樹脂材料中的基本成分或添加物質(zhì)存在一定的毒性，未來應(yīng)把安全性作為一個重要課題，使光敏樹脂成為對環(huán)境和使用者無害的物質(zhì)。增強工藝性還體現(xiàn)在降低光敏樹脂的成本上，目前來說光敏樹脂的價格普遍較高，嚴重阻礙其廣泛應(yīng)用，未來應(yīng)努力降低其成本。

4 結(jié)論

3D打印已經(jīng)為傳統(tǒng)的加工方式帶來了變革，SLA作為其主流技術(shù)之一已獲得廣泛應(yīng)用。本文研究了主流3D打印技術(shù)的基本原理分類，研究了SLA加工材料的基本組成、應(yīng)用和發(fā)展趨勢。光敏樹脂材料作為SLA加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對其不斷研發(fā)應(yīng)用必定會為3D打印技術(shù)的更廣泛推廣提供助力。我們應(yīng)當抓住機遇直面挑戰(zhàn)，努力縮小和世界先進水平之間的差距。

[1] David H. Layer by Layer[J]. Technol Rev，2012.，115（1）:50.

[2] 中華人名共和國工業(yè)和信息化部，中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，中華人民共和國財政部.國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016）[Z].2015-02-11.

Ministry of industry and information technology，People’s Republic of China Ministry of finance of the People’s Republic of China. National development and Reform Commission（2015-2016）[Z].2015-02-11.

[3] 吳懷宇.3D打印：三維智能數(shù)字化創(chuàng)造[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2014.

WU Huai-yu. 3D printing：3D intelligent digital creation[M]. Beijing：Publishing House of electronics industry，2014.

[4] 王雪瑩.3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)（中旬刊），2012，（9）:3-5.

WANG Xue-ying. The development and Prospect of 3D printing technology and industry[J]. China High-tech Enterprise （a） ，2012，（9）:3-5.

[5] 中國機械工程學會．3D 打?。捍蛴∥磥韀M]．北京：中國科學技術(shù)出版社，2013.

Chinese Mechanical Engineering Society.3D printing：printing the future[M]. Beijing：China Science and Technology Press，2013.

[6] 王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及應(yīng)用[M].第三版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

WANG Gang-chun，ZHAO Guo-qun. Rapid prototyping and rapid tooling manufacturing technology and application[M]. thirded. Beijing：China Machine Press，2009.

[7] 路平，王廣春，趙國群，等.光固化快速成型精度的研究及進展[J].機床與液壓，2006，（5）:206-210.

LU Ping，WANG Guang-chun，ZHAO Guo-qun，et al. The research and development of Stereolithography precision[J]. Machine and Hydraulic，2006 （5）：206-210.

[8] 黃衛(wèi)東. 材料3D 打印技術(shù)的研究進展[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（3）：53-70.

HUANG Wwei-dong. Research progress of material 3D printing technology[J].The Journal of New Industrialization，2016，6 （3）：53-70.

[9] 李振，張云波，張鑫鑫，等.光敏樹脂和光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].理化檢驗-物理分冊，2016，52（10）:686-689，712.

LI Zhen，ZHANG Yun-bo，ZHANG Xin-xin，et al. The development of 3D printing and application of photosensitive resin[J]. Physical Testing and Chemical Analysis，686-689712. （10）：2016，52（10）:686-689，712.

[10] 翟緩萍，侯麗雅，賈紅兵，等.快速成型工藝所用光敏樹脂[J].化學世界，2002，43（8）:437-440.

ZHAI Huan-ping，HOU Li-ya，JIA Hong-bing，et al. Photosensitive resin for rapid prototyping process[J]. Chemical World，2002，43 （8）：437-440.

[11] 黃筆武，陳偉凡，諶偉慶，等.激光固化快速成形SL7510型光敏樹脂性能研究[J].光學學報，2008，28（12）:2354-2358.

HUANG Bi-wu，CHEN Wwei-fan. CHEN Wwei-qing，et al. Study on properties of SL7510 type photosensitive resin formed by laser curing[J].Journal of Optics，2008，28（12）:2354-2358.

[12] 柯銳.UV固化環(huán)氧丙烯酸酯膠粘劑的制備及改性研究[D].武漢理工大學，2009.

KE Rui. Study on Preparation and modification of UV curable epoxy acrylate adhesive[D]. Wuhan University of Technology，2009.

[13] 何岷洪，宋坤，莫宏斌，等.3D打印光敏樹脂的研究進展[J].功能高分子學報，2015，28（1）:102-108.

HE Min-hong，SONG Kun，MO Hong-bin，et al. Research progress in 3D printing photosensitive resin[J]. Journal of Functional Polymers，2015，28 （1）：102-108.

[14] 王延慶，沈競興，吳海全，等.3D打印材料應(yīng)用和研究現(xiàn)狀[J].航空材料學報，2016，36（4）:89-98.

WANG Yan-qing，SHEN Jing Xing，WU Hai-quan，et al. Application and research status of 3D printing materials[J]. Journal of Aeronautical Materials，2016，36 （4）：89-98.

[15] 林潤雄，李志乾，馬鳳國，等．一種紫外光固化3D 打印用光敏樹脂的制備方法及應(yīng)用：CN104570603A[P].2015-04-29.

LIN Run-xiong，LI Zzhi-qian，MA Feng-guo，et al. Preparation method and application of UV curable photosensitive resin for 3D printing：CN104570603A[P].2015-04-29.

[16] 劉偉，陳永斌，周濤，等．一種新型復配體系對ABS 樹脂的阻燃性能研究[J]．新型工業(yè)化，2015，5（2）：1-6.

LIU Wei，CHEN Yong-bin，ZHOU Tao，et al. A Study of a Novel Synergistic System's Flame Retardation for ABS Resin[J].The Journal of New Industrialization，2015，5（2）：1-6.

Research on Application of Stereolithography 3D Printing Materials

WANG Dong-feng
(Heze University Institute of Jiang Zhen Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Heze 274000 )

3D printing technology has been widely used because of its fexible and convenient features. As one of the main technologies of 3D printing technology, stereo lithography has achieved rapid development in recent years, the core of its development is the printing material. This paper frst introduces the concept and classifcation of 3D printing technology, and the characteristics and process of stereo lithography, analyzes the basic requirements of light curing molding materials. Studies on the current mainstream light curing material ultraviolet rays resin, introduces the basic components and market applications. Based on the application of ultraviolet rays resin, this paper analyzes the future development trend of stereo lithography 3D printing materials.

Materials processing engineering; 3D printing; Stereo lithography apparatus; Ultraviolet rays resin

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.011

:WANG Dong-feng. Research on Application of Stereolithography 3D Printing Materials[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 59-63.

王東峰（1987-），男，助教，主要研究方向為機械設(shè)計與制造

本文引用格式：王東峰.光固化成型3D打印材料應(yīng)用研究[J]. 新型工業(yè)化，2016，6（12）：59-63.