三維激光成型固化光敏樹脂的力學(xué)性能研究

伍璧超 盧玉斌

三維激光成型固化光敏樹脂的力學(xué)性能研究

伍璧超 盧玉斌

(西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室 四川綿陽 621010)

對經(jīng)過三維激光成型固化后的光敏樹脂進行了準靜態(tài)壓縮和拉伸試驗，獲得了其力學(xué)性能的變化規(guī)律以及真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明:固化后的光敏樹脂存在明顯的壓縮屈服現(xiàn)象，并測得其壓縮屈服強度為40 MPa，拉伸時出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，測得其拉伸強度為51 MPa，斷裂伸長率為17%，具有一定韌性，說明光敏樹脂具有較好的力學(xué)性能。

光敏樹脂 三維激光成型技術(shù)(SLA) 力學(xué)性能 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

目前，各國的制造業(yè)發(fā)展都不約而同地進行著自我的效率創(chuàng)新與升級，快速成型制造技術(shù)是其最顯著的發(fā)展成果之一。該技術(shù)以極高的曝光率占據(jù)著新興制造技術(shù)生產(chǎn)發(fā)展過程中的重要位置，由于其獨特的先進性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、家電及生物醫(yī)療等制造業(yè)中的各個領(lǐng)域。

三維激光成型技術(shù)(Stereo Lithography Apparatus，SLA)又叫光固化成型技術(shù)，作為當代的一種復(fù)合型先進快速成型制造技術(shù)，融合了光、電、機械、計算機等多門學(xué)科，并與現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，形成了高效自動化生產(chǎn)加工的重要基礎(chǔ)，且能夠在很大程度上突破一些傳統(tǒng)制造方法所面臨的技術(shù)瓶頸，在當今世界許多主要機械制造生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展，發(fā)揮了不可替代的作用，取得了令人矚目的成就［1－4］。

運用三維激光成型技術(shù)所加工固化出的光敏樹脂屬于工程材料，具有其獨特的性能和特性，想要真正投入使用，必須考慮其力學(xué)性能。國內(nèi)外學(xué)者對光敏樹脂做了一些研究，吳幼軍［5］等人對光敏樹脂各組分進行優(yōu)化實驗設(shè)計，并找出其最佳配比和用量;趙毅［6］對光固化樹脂進行了實驗研究，給出了一種測試樹脂參數(shù)的原理和方法，建立了平面掃描方式下掃描速度、激光功率、樹脂參數(shù)等相互關(guān)系的數(shù)學(xué)模型并驗證曝光等效原理;Salmoria［7］等人對經(jīng)過不同后處理成型的光敏樹脂做了比較試驗，發(fā)現(xiàn)在微波爐和紫外光照射下固化的光敏樹脂比常溫固化的光敏樹脂拉伸強度更大，并且彈性模量也較常溫時更大，而傳統(tǒng)烤箱里固化的光敏樹脂拉伸強度明顯高于微波爐和紫外光照射下的拉伸強度;劉海濤［8］等人研究了兩種光敏樹脂(HSL1和SL7545)對快速原型件表面質(zhì)量的影響;黃筆武［9］等人對SL7510型光敏樹脂進行了黏度測試，其結(jié)果表明該光敏樹脂的黏度隨著溫度的升高而降低，是一種非牛頓流體;劉永姜［10］等人認為經(jīng)表面處理后的SiC晶須增韌光敏樹脂的力學(xué)性能有所提高，隨晶須含量的增加，固化速度明顯變慢;劉甜［11］等人配成3D打印光固化樹脂，并對其進行性能測試，發(fā)現(xiàn)所配制的光固化樹脂體積收縮率在5%左右，柔韌性優(yōu)于以雙酚A型環(huán)氧丙烯酸酯為預(yù)聚物的光敏樹脂。目前大量的文獻幾乎都沒有對固化后的光敏樹脂進行壓縮力性能分析及準確的量化研究，因此需要系統(tǒng)的量化分析為實際應(yīng)用提供參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 主要原料

光敏樹脂，GP Plus，美國DSM Somos公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

激光快速成形設(shè)備，SPS350B，西安交通大學(xué)RP＆M工程研究所中心;固化箱，GHX700，西安交通大學(xué)RP＆M工程研究所中心;雙立柱微機控制電子萬能試驗機，WDW型－100，上海百若試驗儀器有限公司。

1.3 試樣制備

三維激光成型技術(shù)的基本原理是利用一定波長和強度的激光照射液態(tài)光敏樹脂，使其立即發(fā)生聚合反應(yīng)，分子量劇增，最終使液態(tài)光敏樹脂逐層固化，得到所需的試件。其核心思想是離散、堆積。

未固化的光敏樹脂呈白色黏稠狀，將其充滿激光快速成型機的液槽，計算機控制激光照射的截面軌跡和掃描速度等技術(shù)參數(shù)(UV光束功率為300 mV，填充掃描速度為5 000 mm/s，輪廓掃描速度為3 000 mm/s)，再利用光敏樹脂在紫外光下迅速凝固的特性進行掃描，當?shù)谝粚訏呙柰瓿珊?，照射到的光敏樹脂固化形成一個薄截面，而未被照射到的仍然為液態(tài);隨后，升降臺下降0.1 mm的距離，已固化的截面上方就填充一層光敏樹脂，接著進行第二次掃描，如此反復(fù)循環(huán)下去，就這樣層層固化堆積出所需的試件。拉伸試樣SLA成形時放置角度為其長度方向，與Z方向垂直。

固化成型后的光敏樹脂表面光滑，不透明且呈乳白色。對其清洗后放入固化箱中讓其在紫外光下照射一段時間令其干燥，并達到進一步固化的目的，最后處理之后用于試驗。

1.4 性能測試

將固化后的光敏樹脂試樣放置在電子萬能試驗機上進行準靜態(tài)壓縮和拉伸實驗。環(huán)境溫度為25℃，壓縮試件直徑為10 mm，厚度(標距)為12 mm，加載速度為5 mm/min，其對應(yīng)的應(yīng)變率為8.33×10－3s－1;拉伸試樣形狀和尺寸如圖1所示，其厚度為8 mm，加載速度為5 mm/min，其對應(yīng)的應(yīng)變率為2.7×10－3s－1。壓縮彈性模量和應(yīng)力、應(yīng)變按GB/T 1041－2008《塑料壓縮性能的測定》測試;拉伸強度、拉伸彈性模量和斷裂伸長率按GB/T 1040.1－2006－T《塑料拉伸性能的測定總則》測試。

圖1 拉伸試件的形狀和尺寸(單位:mm)Fig.1 Shape and size of tensile specimens(the unit is mm)

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮力學(xué)性能分析

固化后的光敏樹脂在同一條件下進行了5次重復(fù)實驗，對比數(shù)據(jù)，通過對實驗結(jié)果的分析，得到相應(yīng)的壓縮力學(xué)性能變化規(guī)律以及應(yīng)力－應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)。

光敏樹脂的真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖2所示。光敏樹脂材料在承受靜載壓縮變形時經(jīng)歷了典型的3個階段，即彈性階段、塑性階段和壓實階段。在彈性階段時，材料服從胡克定律，流動應(yīng)力(又稱真實應(yīng)力)隨真實應(yīng)變的增大而增大，兩者呈線性發(fā)展，其比例常數(shù)即為壓縮彈性模量。隨后進入塑性階段，有明顯的屈服平臺區(qū)，試件表現(xiàn)為鼓形;之后出現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。圖3為試件壓縮變形后的形態(tài)，可看出圓柱體試件由于僅單軸受壓，沒有圍壓，四周稍稍鼓起，并已造成了塑性變形，不能恢復(fù)。

圖2 光敏樹脂的壓縮真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.2 Compressive true stress－stain curves of photosensitive resin

圖3 試件壓縮變形后的形態(tài)Fig.3 Deformed specimen after compressive loading

通過分析5次實驗結(jié)果，選取其中三組有效的數(shù)據(jù)進行對比?？梢园l(fā)現(xiàn)第一組與第三組試樣的真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線幾乎重合，僅僅只是在彈性階段稍有不同;第二組試樣的真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線與前兩組稍有不同，說明光敏樹脂在靜態(tài)加載條件下的壓縮力學(xué)性能存在一定的差異，但差異不大，如表1所示。實驗加載到試件快要破壞時停止。

從表1可得，光敏樹脂試件的屈服強度平均值為40.0 MPa，壓縮彈性模量平均值為477.6 MPa，永久變形率平均值為43.3%。這表明光敏樹脂具有一定的抗壓能力，可用于制作堅固耐用的零部件。

表1 光敏樹脂壓縮力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)Table 1 Mechanical properties in compression tests

2.2 拉伸力學(xué)性能分析

通過對固化后的光敏樹脂試樣在同一條件下重復(fù)開展5次準靜態(tài)拉伸實驗，得到其真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線，選取其中三組有效數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如圖4和表2所示。當真實應(yīng)變增至0.09左右時，試件達到所能承受的最大拉伸應(yīng)力，但此時試件并未斷裂，可知其承載能力還未達到極限，之后隨真實應(yīng)變的增加，應(yīng)力呈緩慢下降趨勢，表現(xiàn)為應(yīng)力軟化現(xiàn)象，最終試件斷裂，斷口基本上屬于平直斷口，表明其具有硬韌特征，如圖5所示。

圖4 光敏樹脂的拉伸真實應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.4 Tensile true stress－stain curves of photosensitive resin

表2 光敏樹脂拉伸力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)Table 2 Mechanical properties in tensile tests

從表2可得，光敏樹脂試件的拉伸強度平均值為51 MPa，拉伸彈性模量平均值為685 MPa，斷裂應(yīng)力平均值為39.7 MPa，斷裂伸長率平均值為17%。與表1數(shù)據(jù)比較，可看出光敏樹脂的最大拉伸應(yīng)力大于其屈服應(yīng)力，其拉伸彈性模量也略高于壓縮彈性模量，可見光敏樹脂的拉伸強度稍大于其壓縮強度，且此材料性能較穩(wěn)定，并表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能。

文獻［7］得到的7110型樹脂成型經(jīng)不同處理后拉伸強度在42.6～61.2 MPa范圍內(nèi);文獻［9］得到固化后的SL7510型光敏樹脂的拉伸強度平均值為40.8 MPa，斷裂伸長率平均值為13.6%;文獻［12］得到SL5510型光敏樹脂的拉伸強度平均值為65 MPa，斷裂伸長率平均值為5.1%。綜上可知，固化后的這類材料其拉伸強度范圍為40.8～65 MPa，拉伸斷裂伸長率在5.1%～17%范圍之間，力學(xué)性能類似且變化不大。

圖5 試件拉伸破壞后宏觀破壞形貌Fig.5 Fractured specimen after tensile tests

3 結(jié)論

(1)經(jīng)三維激光成型后的光敏樹脂在準靜態(tài)壓縮變形時經(jīng)歷了3個階段，即彈性階段、塑性階段和壓實階段，且壓縮性能存在一定的差異。其屈服強度為40 MPa，壓縮彈性模量為477.6 MPa，永久變形率為43.3%。

(2)對固化后的光敏樹脂進行準靜態(tài)拉伸實驗，測得其拉伸強度、拉伸彈性模量、斷裂應(yīng)力和斷裂伸長率分別為51 MPa，685 MPa，39.7 MPa和17%。

(3)與以往文獻中的實驗數(shù)據(jù)比較，得出光敏樹脂這類材料的拉伸強度范圍為40.8～65 MPa，拉伸斷裂伸長率范圍為5.1%～17%，本文制備的光敏樹脂材料樣品的拉伸強度居中，但斷裂伸長率較大，表明該材料呈一定的韌性。

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Research on the Mechanical Properties of Photosensitive Resin Based on the Stereo Lithography Apparatus

WU Bi－chao，LU Yu－bin

(Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process of Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China)

The quasi－static compressive and tensile experiments of cured photosensitive resin specimens manufactured by stereo lithography apparatus(SLA)have been performed.Variation of the mechanical properties and the true stress－strain curves are obtained.Experimental results show that the cured photosensitive resin has obvious compressive yield phenomenon and tensile strain softening phenomenon.The compressive yield strength is 40 MPa.While the tensile strength is 51 MPa，and the elongation at break is 17%，indicating the characteristic of certain ductility.Therefore，the photosensitive resin is proved to have good mechanical performance.

Photosensitive resin;Stereo lithography apparatus;Mechanical properties;Stress－strain curves

TN249

A

1671－8755(2015)03－0021－04

2015－03－23

留學(xué)回國人員科技活動項目擇優(yōu)資助(14zd3102);西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(14ycx0119)。

伍璧超(1988—)，女，碩士研究生。E－mail:wubichao21@163.com.通訊作者:盧玉斌(1980—)，男，副研究員，研究方向為沖擊動力學(xué)。E－mail:yubinluzju@hotmail.com