基于3D打印機(jī)高分子材料SLA應(yīng)用

蔣素清 于云峰

摘要：30打印機(jī)通過(guò)增加材料、降低制造難度，對(duì)于傳統(tǒng)加工方法尤其是復(fù)雜性零件加工問(wèn)題得到很好的解決；材料類型有三大類：金屬材料、高分子材料和無(wú)機(jī)非金屬材料；本文主要介紹應(yīng)用最廣的高分子材料成型原理、打印流程、設(shè)備參數(shù)及實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：3D打印機(jī)；復(fù)雜性零件；成型原理；打印流程

0 引言

3D打印機(jī)的加工方式以低速靜態(tài)為主，隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)加工材料提出了更高的精度和速度要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域技術(shù)不斷提高，生產(chǎn)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，如果能縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，加速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)速度，將成為制造業(yè)這一行業(yè)的一大優(yōu)勢(shì)。在生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)中主要應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，如CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、（CAE）計(jì)算機(jī)輔助工程、并行工程（ ConCurrent Engineering）等，隨著這些技術(shù)的應(yīng)用，使得生產(chǎn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期大量的縮短。然而，由于在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)設(shè)計(jì)和加工產(chǎn)品時(shí)，加工設(shè)備自身的局限性，零件設(shè)計(jì)與產(chǎn)品加工有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，有時(shí)因工藝、材料、設(shè)備等因素影響零件的功能。

3D打印機(jī)的應(yīng)用，使得這些問(wèn)題得到了一定程度的改善，其特點(diǎn)在于獨(dú)特的增加材料加工技術(shù)降低了零件的加工難度，而且便于去除支撐材料，解決了許多傳統(tǒng)加工方法無(wú)法解決的問(wèn)題。

3D打印機(jī)的發(fā)展不僅成為未來(lái)世界新的創(chuàng)造性科技，更是掀起了世界性制造業(yè)革命的熱潮，不僅改變了多年來(lái)制造業(yè)的生產(chǎn)方式，也進(jìn)入到我們的日常生活。3D打印機(jī)作為一種高科技設(shè)備，綜合應(yīng)用了CAD技術(shù)、CAM技術(shù)、激光學(xué)、光化學(xué)及材料科學(xué)等諸多方面的科學(xué)與技術(shù)。它使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)及醫(yī)療用品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的研發(fā)者，能夠快捷方便地獲得三維實(shí)物模型，方便后期的設(shè)計(jì)。所以材料在3D打印中占關(guān)鍵作用。

1 高分子材料背景

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種。它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用高分子材料或金屬粉末材料的可粘合特點(diǎn)，通過(guò)逐層打印的加工方式來(lái)制造產(chǎn)品。日常中常用的3D打印材料有三大類：無(wú)機(jī)非金屬材料、金屬材料和高分子材料。其中用量最大、應(yīng)用范圍最廣、成型方式最多的材料為高分子材料。其中主要包括以下幾種：

1）光敏樹(shù)脂

2）高分子絲材

3）高分子粉末

目前光敏樹(shù)脂則是SLA（光固化立體成型技術(shù)）的主要打印材料。

2 SLA成型原理

光敏樹(shù)脂是UV（ Ultraviolet Rays）樹(shù)脂，由聚合物單體與預(yù)聚體組成，其中加有光（紫外光）引發(fā)劑（或稱為光敏劑）。在一定波長(zhǎng)的紫外光（l00-400nm，介于X射線與可見(jiàn)光之間的電磁波）照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化。光敏樹(shù)脂一般為液態(tài)，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。如圖1所示。

我們現(xiàn)在常用的3D打印光敏樹(shù)脂材料大多為環(huán)氧樹(shù)脂。

目前，研究光敏材料機(jī)構(gòu)主要有美國(guó)3D Systems公司和以色列Ohject公司。常見(jiàn)的光敏樹(shù)脂有UV Plus材料、UV-Pure樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂。

UV Plus樹(shù)脂材料為白色，塑性、韌性都非常好，基本可達(dá)到加工的尼龍材料所要求的性能，而且表面粗糙度和精度較好。制造的部件擁有良好的塑性和韌性，同時(shí)保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品等領(lǐng)域。

UV-Pure材料看上去更像是真實(shí)透明的塑料，具有優(yōu)秀的防水和尺寸穩(wěn)定性，能提供包括ABS和PBT在內(nèi)的多種類似T程塑料的特性，這些特性使它很適合用在汽車、醫(yī)療以及電子類產(chǎn)品領(lǐng)域。

光固化（Stereolithography，簡(jiǎn)寫SLA）該技術(shù)利用液態(tài)光敏樹(shù)脂為基礎(chǔ)材料，液態(tài)樹(shù)脂在一定的光源照射下產(chǎn)生凝固，生產(chǎn)產(chǎn)品精度和表面粗糙度是目前所有3D打印技術(shù)中精度最高的；其工作原理是利用一定波長(zhǎng)與強(qiáng)烈的紫外激光（355納米）透過(guò)透鏡、偏振鏡聚焦到指定的固化位置，凝固順序由點(diǎn)到線，再由線到面，形成一個(gè)平面的產(chǎn)品，再由升降臺(tái)在Z垂直方向上下移動(dòng)形成一層一層面的高度，最后固化到另外一個(gè)層面，層層疊加，加工為一個(gè)三維實(shí)體。

多噴頭打印所實(shí)現(xiàn)的高分辨邊角銳化分明，實(shí)現(xiàn)多材料復(fù)合打印。

3 主要設(shè)備

打印設(shè)備主要參數(shù)如表1：

激光系統(tǒng)LASERSYSTEM

激光類型：二極管泵浦同體激光器Nd： YV04

波長(zhǎng)：354.7mn

最低功率：300mW

重涂系統(tǒng)RECOATINSYSTEM

涂鋪方式：智能定位真空吸附涂層

正常層厚：O.1mm

快速制作層厚：0.1～0.15mm

精密制作層厚：0.05—O.lmm

光學(xué)掃描系統(tǒng)OPTICAL&SCANNINC;

光斑（直徑@I/e2）：0.10—0.16mm

掃捕振鏡：SCANLAB

零件掃描速度：推薦6.Om/s

零件跳跨速度：推薦lO.Om/s

參考制作重量：30—lOOg/h

4 實(shí)際應(yīng)用范例

透明的石英玻璃部件，原料：可光固化二氧化硅納米復(fù)合材料，工藝：SLA，性能：打印出的熔融石英玻璃是無(wú)孔的，并且具有幾納米粗糙度的光滑表面，在宏觀和微觀尺度都高度透明，耐高溫，耐化學(xué)腐蝕。并且通過(guò)在里面摻雜金屬鹽，還可以產(chǎn)生有色玻璃。實(shí)驗(yàn)操作圖a，與阿米替林納米粉末}昆合的紫外線固化單體在立體光刻系統(tǒng)中構(gòu)成。所得到的聚合復(fù)合材料通過(guò)熱脫脂和燒結(jié)（比例尺，7mm）變成熔融石英玻璃.b，c。印刷和燒結(jié)玻璃結(jié)構(gòu)的實(shí)例：卡爾斯魯厄理丁學(xué)院（h；比例尺，Smm）和椒鹽卷餅（c；比例尺，Smm）。d，證明印刷石英玻璃（比例尺，1厘米）的高耐熱性?；鹧娴臏囟燃s為800℃，實(shí)體圖形如圖5。

最小層厚16μm，保證精度lOO%REALWAX材料，鑄造無(wú)殘留，每年生產(chǎn)透明的牙齒矯正器- 1700萬(wàn)，已有世界知名品牌

5 結(jié)束語(yǔ)

利用3D打印縮短產(chǎn)品工時(shí)可達(dá)數(shù)倍甚至數(shù)十倍，在一定程度上縮短原產(chǎn)品加工周期，減少新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了復(fù)雜模型的生產(chǎn)能力，讓復(fù)雜模型的加工變?yōu)榭赡?；其加工過(guò)程的數(shù)字化，產(chǎn)品尺寸可大可小，在加丁時(shí)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品中的錯(cuò)誤，及時(shí)修正，避免了傳統(tǒng)加工方法、丁藝產(chǎn)生的損失，提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的成功率及減少了設(shè)計(jì)周期；非接觸式生產(chǎn)加工方法避免工.具磨損和更換，利用光敏樹(shù)脂作為原材料，清潔干凈，表面粗糙度和精度高，壞了便于更換，方便后期處理，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備成本低，維護(hù)方便。