席曉華

(山西省化工研究所有限公司，山西 太原 030600)

引 言

3D打印，又稱(chēng)增材制造(additive manufacturing，AM)，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)[1-2]，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了制造方式從等材、減材到增材的重大轉(zhuǎn)變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式。3D打印因具有速度快、精度高、設(shè)計(jì)自由、節(jié)省材料[3-5]等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用在汽車(chē)制造、衛(wèi)生醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域[6-8]。

3D打印技術(shù)按工藝類(lèi)型的不同，可分選擇性激光燒結(jié)成型SLS(selective laser sintering)、選擇性激光熔化成型SLM(selective laser melting)、熔融沉積式成型FDM(fused deposition modeling)、立體平板印刷SLA(stereolithography)、數(shù)字光處理DLP(digital light procession)等。在當(dāng)前這些成型技術(shù)中，數(shù)字光處理技術(shù)DLP是數(shù)字光源以面光的形式在液態(tài)光敏樹(shù)脂表面進(jìn)行層層投影，每一層樹(shù)脂被固化到一定的深度，會(huì)附著在支撐平臺(tái)上或已固化的樹(shù)脂上，這樣層層固化，最終得到成型固化產(chǎn)品的一種技術(shù)，具有打印體體積小、打印精度高等優(yōu)點(diǎn)[9]，在整個(gè)成型的過(guò)程中具有無(wú)毒、無(wú)刺激等環(huán)保性質(zhì)[10-11]，3D打印技術(shù)所涉及到的打印材料主要有樹(shù)脂類(lèi)、石蠟類(lèi)、金屬材料、陶瓷材料及其復(fù)合材料(主要是乳酸和丙烯腈丁二烯苯乙烯)等[12]。據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂類(lèi)當(dāng)中的光敏聚合物占3D打印材料市場(chǎng)的30.1%，排名第一。

3D打印技術(shù)按市場(chǎng)需求的不同，分為3D打印材料、3D打印機(jī)械制造及3D打印工藝等，而3D打印工藝約為整個(gè)市場(chǎng)規(guī)模的58.4%，也意味著打印工藝已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力量。國(guó)內(nèi)閆麗靜[13]、金澤楓[14]、韓江[15]及國(guó)外C.S.Lee[16]、B.H.Lee[17]等對(duì)FDM成型工藝進(jìn)行了大量的研究；楊娜娜[18]、劉海濤[19]、郭亮[20]、蔣三生[21]等對(duì)SLA光固化成型打印工藝進(jìn)行了相關(guān)研究。但是，針對(duì)DLP光固化成型打印工藝對(duì)材料制品的性能影響研究報(bào)道則很少。因此，對(duì)DLP型3D打印機(jī)打印參數(shù)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文主要就本研發(fā)團(tuán)隊(duì)所研發(fā)出的光敏樹(shù)脂配方為例，通過(guò)對(duì)樹(shù)脂配方進(jìn)行了黏度、硬度、拉伸性能、斷裂伸長(zhǎng)率、收縮率等測(cè)試，研究打印參數(shù)(固化時(shí)間)、打印后處理對(duì)成型模型的影響，旨在研發(fā)出一款適用于一般打印機(jī)的光敏樹(shù)脂。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

光敏樹(shù)脂，001，山西增材制造研究有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

電子分析天平，萬(wàn)特；邵氏硬度儀，D Type；數(shù)顯黏度計(jì)，DV-E型；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，M10型號(hào)，美國(guó)Instron；紫外線固化燈，405 nm，功率20 W，廣東省中山市橫欄鎮(zhèn)三沙工業(yè)園；游標(biāo)卡尺，艾瑞澤，中國(guó)；切片軟件，Dolphin Studio.exe.lnk；DLP打印機(jī)，DLP-H100。

1.3 DLP打印機(jī)上打印

將光固化樹(shù)脂置于DLP型3D打印機(jī)上打印，分別設(shè)置如下不同的參數(shù)：(a)首層固化時(shí)間為45 s，輪廓時(shí)間定為1 s，基礎(chǔ)固化時(shí)間分別6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 s；(b)基礎(chǔ)固化時(shí)間為13 s，輪廓時(shí)間定為1 s，首層固化時(shí)間分別15、20、25、30、35、40、45、50 s對(duì)拉伸樣條進(jìn)行打印，在光下放置5 h備用。拉伸樣條的形狀及尺寸如圖1，設(shè)置為總長(zhǎng)度75 mm，厚度 2 mm，標(biāo)距25 mm。

圖1 拉伸樣條

1.4 測(cè)試方法

黏度使用數(shù)顯黏度計(jì)測(cè)試；拉伸強(qiáng)度采用GB/T 1040.2—2006/ISO 527—2,1993測(cè)定測(cè)試；用游標(biāo)卡尺測(cè)量長(zhǎng)寬的收縮率；用邵氏硬度儀測(cè)試邵氏硬度。

2 結(jié)果及討論

2.1 黏度

將001樹(shù)脂搖勻，置于燒杯中，在25 ℃、轉(zhuǎn)速50 r/min條件下測(cè)其黏度。黏度大小為278 mpa·s，即流動(dòng)性良好，有利于打印機(jī)打印。

2.2 打印參數(shù)的影響

打印參數(shù)是液態(tài)光敏樹(shù)脂固化為成型工件不可避免的的操作步驟，參數(shù)的設(shè)置直接影響成型工件的外觀及性能。圖2為不同基礎(chǔ)固化時(shí)間參數(shù)下打印的拉伸樣條。

2.2.1 拉伸樣條的外形

從圖2中，可以清楚地看到隨著基礎(chǔ)固化時(shí)間的增加，拉伸樣條的外形逐漸變得完整，基礎(chǔ)固化時(shí)間為6 s～9 s時(shí)，拉伸樣條上有斷痕，基礎(chǔ)固化時(shí)間為10 s～11 s時(shí)，拉伸樣條打印趨于完整，基礎(chǔ)固化時(shí)間為12 s～14 s，拉伸樣條完整，基礎(chǔ)固化時(shí)間為15時(shí)，拉伸樣條上有多余的固化樹(shù)脂。這是因?yàn)?，固化時(shí)間太短時(shí)，樹(shù)脂剛固化成為凝膠，不足以抵擋打印地板向上的拉力，故出現(xiàn)裂痕，隨著打印時(shí)間的增加，固化逐漸趨于完全，打印的拉伸條也相應(yīng)完整，當(dāng)固化時(shí)間太長(zhǎng)時(shí)，出現(xiàn)了過(guò)固化，故有多余的樹(shù)脂固化在了拉伸樣條上，如拉伸樣條15。

圖2 不同基礎(chǔ)固化時(shí)間下的實(shí)物樣條圖

2.2.2 力學(xué)性能

對(duì)首層固化時(shí)間為45 s，輪廓時(shí)間為1 s，基礎(chǔ)固化時(shí)間10 s～15 s的上述拉伸樣條進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試，結(jié)果如圖3。其中，A曲線代表拉伸強(qiáng)度隨基礎(chǔ)固化時(shí)間增長(zhǎng)而變化。從圖中3可以看出，基礎(chǔ)固化時(shí)間從10 s～14 s，拉伸樣條的拉伸強(qiáng)度逐漸增大，這是由于固化時(shí)間的增大，凝膠率增加，故拉伸強(qiáng)度增大；14 s～15 s，拉伸樣條的拉伸強(qiáng)度反而減少，這是因?yàn)槟z率已經(jīng)在14 s達(dá)到最大。B曲線代表斷裂伸長(zhǎng)率隨基礎(chǔ)固化時(shí)間的增大先增加后減小。

圖3 拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率隨基礎(chǔ)固化時(shí)間的變化

對(duì)上述的拉伸樣條進(jìn)行硬度的測(cè)試和收縮率的測(cè)試，得到表1。

從表1可以清楚地看到，隨著基礎(chǔ)固化時(shí)間的增加，硬度有一定的增加。在圖3中，隨著基礎(chǔ)固化時(shí)間的增加，拉伸強(qiáng)度雖有增加，但是增加幅度很小。從表1中可以看到，在完整成型件所需基礎(chǔ)固化時(shí)間內(nèi)，硬度幾乎不變，這說(shuō)明對(duì)于外貌成型完好的固化件來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)固化時(shí)間對(duì)成型件的力學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響。

表1 不同基礎(chǔ)固化時(shí)間下拉伸樣條的硬度

對(duì)基礎(chǔ)固化時(shí)間為13 s，輪廓時(shí)間定為1 s，首層固化時(shí)間分別15、20、25、30、35、40、45、50 s的拉伸樣條放置5 h后進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試，得到表2。

表2 不同首層固化時(shí)間下拉伸樣條的力學(xué)性能

從表2中可以看到，在基礎(chǔ)固化時(shí)間、輪廓時(shí)間為一定值時(shí)，首層固化時(shí)間在一定時(shí)間范圍內(nèi)變化，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、硬度并沒(méi)有太大的變化。

綜上所述，首層固化時(shí)間主要影響固化樹(shù)脂與支撐平臺(tái)之間作用力，首層固化時(shí)間短，成型品易掉落，首層固化時(shí)間太長(zhǎng)，成型品不易取下，或取下時(shí)易破壞成型品；而基礎(chǔ)固化時(shí)間一定程度上影響成型品的力學(xué)性能，考慮打印時(shí)間等打印成本，在打印較大件時(shí)，一般選取基礎(chǔ)固化時(shí)間為12 s～13 s，首層固化時(shí)間為45 s；在打印較小件時(shí)，一般選取基礎(chǔ)固化時(shí)間為10 s～11 s，首層固化時(shí)間為25 s。

2.3 后固化對(duì)拉伸樣條的影響

將基礎(chǔ)固化時(shí)間13 s、首層固化時(shí)間45 s打印參數(shù)下打印的拉伸樣條隨機(jī)分為4組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(每組有5個(gè)拉伸樣條)，Ⅰ、Ⅱ組用工業(yè)酒精各噴洗10 s(可根據(jù)樣品件的大小來(lái)決定噴洗時(shí)間，一般以各個(gè)部分噴洗到位即可)，Ⅲ、Ⅳ組用酒精浸泡10 s，從4組樣條來(lái)看，用酒精浸泡過(guò)的拉伸樣條角落部分有損傷，這是因?yàn)榫凭?rùn)到未固化徹底的拉伸樣條的邊角部分。將Ⅰ組、Ⅱ組的拉伸樣條分別置于陰涼處和光照下不同時(shí)間，測(cè)得的力學(xué)性能如圖4，圖4(a)是Ⅰ組、Ⅱ組硬度隨后固化時(shí)間的變化，圖4(b)圖是Ⅰ組、Ⅱ組斷裂伸長(zhǎng)率隨后固化時(shí)間的變化，圖4(c)圖是Ⅰ組、Ⅱ組拉伸強(qiáng)度隨后固化時(shí)間的變化。

用游標(biāo)卡尺測(cè)量后固化后拉伸樣條大小，與設(shè)計(jì)的樣條相比，其收縮率如表3。從表3中得出，在相同后固化時(shí)間，光照下的收縮率小，陰暗處的收縮率大。

從圖4中可以看出，拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、硬度隨后固化時(shí)間的增加呈增加趨勢(shì)。在光照下，這些參數(shù)比在陰涼處增加的趨勢(shì)更大，即3D打印出來(lái)的模型力學(xué)性能更好。

表3 收縮率隨后固化時(shí)間的增加而變化

圖4 不同環(huán)境下拉伸樣條的力學(xué)性能

3 結(jié)論

本文基于山西省增材研究院所研發(fā)出的DLP型3D打印光敏樹(shù)脂，研究打印參數(shù)、后固化時(shí)間和環(huán)境對(duì)打印成品的外觀、力學(xué)性能、收縮率的影響。結(jié)果表明，對(duì)于大部分打印件來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)固化時(shí)間為11 s～13 s，首層固化時(shí)間為40 s～45 s時(shí)為最佳，如果打印件較小，首層固化時(shí)間可以減少。另外，打印件放在光照下后固化5 h的效果更好。本文一方面驗(yàn)證了山西省增材研究院所研發(fā)出的DLP型3D打印光敏樹(shù)脂的精準(zhǔn)度，另一方面也研究了打印參數(shù)，為后續(xù)開(kāi)拓普適性的光固化樹(shù)脂提供了參考。