光固化快速模具材料特性與注塑工藝研究進(jìn)展

張高陽(yáng) ，張 陽(yáng)， 李東亞， 劉 禹

(1.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122； 2.丹麥科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 丹麥 靈比 DK2800)

快速原型技術(shù)(也稱為3D打印技術(shù))起源于20世紀(jì)80年代[1]，它利用逐層堆積的方式將計(jì)算機(jī)建立的三維模型直接轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型[2]。利用快速原型技術(shù)制備注塑模具能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)塑料制品的快速小批量生產(chǎn)。其中光固化快速原型技術(shù)的成型精度與成型效率優(yōu)于其它增材制造方式，適合快速模具的制備[3-4]。然而光固化材料的導(dǎo)熱特性和機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)于傳統(tǒng)模具差別較大，針對(duì)光固化材料的特性進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)和注塑工藝的研究對(duì)保證最終產(chǎn)品質(zhì)量和快速模具的使用壽命具有重要意義。筆者分析了光固化快速模具的材料特性對(duì)注塑過(guò)程的影響，介紹了光固化快速模具的注塑工藝和適用范圍，最后總結(jié)了光固化快速模具的加工特性和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 光固化快速模具

根據(jù)制備方式的不同快速模具可以分為直接快速模具和間接快速模具[5]。直接快速模具是利用快速原型技術(shù)直接制備模具的型腔，進(jìn)行簡(jiǎn)單的表面處理后將型腔鑲嵌到標(biāo)準(zhǔn)模架中獲得用于小批量注塑生產(chǎn)的模具，如圖1(a)所示[6]。間接快速模具需要首先利用快速原型技術(shù)制備產(chǎn)品的模型，將模型放置到框架中用液態(tài)或粉末狀材料澆注，當(dāng)澆注材料受外界條件如光照、加熱的刺激固化后取出模型，間接得到產(chǎn)品的型腔，如圖1(b)所示[7]。直接快速模具省去了利用原型翻制模仁的工序，它的制備效率更高。快速原型的材料對(duì)成型精度和模型表面質(zhì)量有較大影響，光敏樹脂的成型精度通常優(yōu)于金屬粉末與熔融沉積材料，更適合快速模具的制備。然而光敏樹脂的材料特性與傳統(tǒng)模具的差異會(huì)導(dǎo)致注塑過(guò)程與產(chǎn)品特性發(fā)生變化。

圖1 快速模具制備過(guò)程Figure 1 Preparation process of rapid mold

2 光固化模具導(dǎo)熱特性

2.1 導(dǎo)熱特性與產(chǎn)品結(jié)晶度

注塑過(guò)程中熔體的熱量通過(guò)熱對(duì)流、熱輻射和熱傳導(dǎo)被冷卻液帶走或散發(fā)到空氣中[8]3。熔體熱交換的效率主要取決于模具的導(dǎo)熱率和冷卻管道的布置形式。商業(yè)上常用的光固化材料其本質(zhì)都是環(huán)氧樹脂或丙烯酸的變體，導(dǎo)熱率一般為0.2 W/(m·K)，而普通工具鋼為50 W/(m·K)，鋁為200 W/(m·K)[9]。光固化材料較低的導(dǎo)熱率使注塑過(guò)程中熔體固化的時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)使用結(jié)晶類聚合物作為注塑材料時(shí)，聚合物在冷卻過(guò)程中從無(wú)定形狀態(tài)逐漸恢復(fù)到結(jié)晶狀態(tài)。光固化模具的導(dǎo)熱率使聚合物有足夠的時(shí)間重新結(jié)晶；金屬模具的冷卻時(shí)間較短，熔體固化時(shí)分子可能無(wú)法重新定向而保持非結(jié)晶狀態(tài)。

注塑產(chǎn)品結(jié)晶度的變化會(huì)影響產(chǎn)品的收縮率。Harris等[10]利用PA66注塑矩形和圓柱形結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，當(dāng)注塑工藝相同時(shí)光固化模具成型產(chǎn)品的收縮率約是鋁模具的2倍，注塑產(chǎn)品的結(jié)晶度差異造成了上述尺寸收縮率的變化[11]。結(jié)晶度的差異同時(shí)會(huì)使產(chǎn)品的機(jī)械特性發(fā)生變化。Tábi等[12]以聚乳酸(PLA)有核化合物為注塑材料，以相同的工藝注塑到光固化模具和金屬模具中，光固化模具成型樣品的結(jié)晶度為31.9%而金屬模具僅為13.8%。在萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)樣品進(jìn)行拉伸和彎曲測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)光固化模具注塑樣品的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲模量相對(duì)于金屬模具均有20%左右的提升。光固化模具注塑產(chǎn)品較高的結(jié)晶度使產(chǎn)品具有了較強(qiáng)的力學(xué)性能。

2.2 導(dǎo)熱特性與輔助冷卻

光固化材料的導(dǎo)熱特性對(duì)冷卻效率的影響可以通過(guò)輔助冷卻的方式進(jìn)行改善。注塑過(guò)程中熔體的大部分熱量通過(guò)熱交換被冷卻液帶走，合理布置的冷卻管道可以補(bǔ)償模具導(dǎo)熱性的不足。光固化材料的成型方式允許模具根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布置隨形冷卻系統(tǒng)。與傳統(tǒng)冷卻管道不同，隨形冷卻系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的冷卻需求布置管道的位置和截面形狀，它的冷卻效率更高，并且模具的散熱也更加均勻,如圖2所示[8]1。Zink等[13]對(duì)比了傳統(tǒng)冷卻、垂直隨形冷卻、水平隨形冷卻和無(wú)冷卻模具對(duì)2 mm厚、90°板的成型效率，發(fā)現(xiàn)采用相同的注塑參數(shù)成型時(shí)水平隨形冷卻所需的冷卻時(shí)間最短，傳統(tǒng)冷卻和無(wú)冷卻所需的冷卻時(shí)間增加了約150%。隨形冷卻系統(tǒng)能夠縮短注塑成型的循環(huán)周期，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)降低注塑過(guò)程中模具承受的循環(huán)熱載荷。

圖2 光固化模具冷卻系統(tǒng)Figure 2 Cooling system of light-curing mold

2.3 導(dǎo)熱特性總結(jié)

光固化模具與金屬模具導(dǎo)熱特性的差異使注塑過(guò)程和產(chǎn)品特性發(fā)生了變化。光固化模具較低的導(dǎo)熱率使熔體在型腔內(nèi)的固化時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)于結(jié)晶速率較低的聚合物，較長(zhǎng)的固化時(shí)間提升了產(chǎn)品的結(jié)晶度。結(jié)晶度會(huì)對(duì)產(chǎn)品的收縮率和機(jī)械特性產(chǎn)生影響，較高的結(jié)晶度會(huì)提升注塑產(chǎn)品的收縮率，同時(shí)注塑產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度也會(huì)隨著結(jié)晶度的提升而增強(qiáng)。光固化模具導(dǎo)熱特性的不足可以通過(guò)布置隨形冷卻管道的方式進(jìn)行補(bǔ)償。

3 光固化模具機(jī)械特性

光固化模具在注塑的過(guò)程中需要承受熔體的循環(huán)熱沖擊，光固化材料的機(jī)械特性是決定模具使用壽命和產(chǎn)品成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通常根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D638進(jìn)行光固化材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D790進(jìn)行彎曲測(cè)試[14]，光固化材料的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度均低于金屬材料。快速原型工藝會(huì)影響成型樣品的強(qiáng)度，如成型層厚的增加與后固化時(shí)間的縮短能提升樣品的拉伸強(qiáng)度[15]。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系建立快速原型工藝與樣品強(qiáng)度的函數(shù)模型，能夠根據(jù)樣品的強(qiáng)度要求選擇打印工藝[16]。光固化樹脂的強(qiáng)度也受使用溫度的影響，光固化樹脂的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，沖擊強(qiáng)度隨著溫度的升高而上升[17]742。當(dāng)溫度高于樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，樣品的儲(chǔ)能模量快速下降[18]。因此在注塑過(guò)程中需要根據(jù)模具的強(qiáng)度要求，調(diào)整冷卻時(shí)間控制模具的使用溫度。

3.1 機(jī)械強(qiáng)度與失效形式

光固化材料的機(jī)械特性與成型方式?jīng)Q定了模具的失效形式。注塑時(shí)熔體以較高的速度和壓力注入型腔，光固化模具承受的熔體壓力大于模具的極限強(qiáng)度時(shí)將發(fā)生彎曲失效或剪切失效[17]743。彎曲失效時(shí)模具特征結(jié)構(gòu)繞支撐點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)斷裂，如圖3(a)所示；剪切失效時(shí)模具的薄壁特征在熔體的壓力下，沿熔體流動(dòng)方向發(fā)生剪切斷裂，如圖3(b) 所示[19]717；熔體填充時(shí)彎曲應(yīng)力會(huì)使模具表面應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋，在注塑循環(huán)中裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致模具失效，如圖3(c)[17]744；剪切失效也會(huì)在微觀尺度下發(fā)生，熔體持續(xù)侵蝕模具表面，在剪切力的作用下模具表面發(fā)生微觀剝落，微觀碎片的累積造成光固化模具表面惡化而失效，如圖3(d)[20]9所示；熔體在型腔內(nèi)固化后，通過(guò)模具頂針的彈出力脫離模具，注塑產(chǎn)品和模具之間的摩擦力使脫模的過(guò)程中模具承受拉應(yīng)力，光固化模具承受的拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)將會(huì)發(fā)生拉伸失效,如圖3(e)[21]253所示。

減小注塑壓力能夠降低模具的彎曲應(yīng)力，但是需要提高熔體溫度補(bǔ)償材料在型腔內(nèi)的流動(dòng)[19]718。拉應(yīng)力與模具粗糙度和熔體冷卻時(shí)間成正比，粗糙度增大時(shí)產(chǎn)品和模具之間的摩擦因數(shù)增大，冷卻時(shí)間增加時(shí)產(chǎn)品和模具之間的正壓力增加，兩者都會(huì)導(dǎo)致脫模過(guò)程中模具承受的拉應(yīng)力增大[21]254。光固化模具采用逐層堆積的成型方式，減小成型時(shí)各層的厚度能夠提升模具的表面質(zhì)量[22]502。此外，模具設(shè)計(jì)過(guò)程中增大拔模角度也能減小脫模過(guò)程中模具承受的拉應(yīng)力，降低模具拉伸失效的風(fēng)險(xiǎn)[22]503。

圖3 光固化模具失效形式Figure 3 Failure modes of light-curing mold

3.2 機(jī)械特性的纖維增強(qiáng)

光固化材料較弱的機(jī)械特性限制了模具的使用壽命，普通光敏樹脂制備的模具，最佳使用壽命僅為50～100次[20]3。提高光固化材料機(jī)械性能的方式主要包括調(diào)整樹脂組分、樹脂化學(xué)改性和填充纖維，其中填充纖維是最簡(jiǎn)單有效的增強(qiáng)方式[23]5400。纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)中纖維承受外界載荷保證材料的強(qiáng)度和剛度，聚合物作為基體材料保證纖維的定位和取向[24]。纖維增強(qiáng)的光敏樹脂機(jī)械性能有較大的提升，如直徑15 μm、長(zhǎng)度1.6 mm的玻璃纖維混合到聚氨酯丙烯酸基體中，纖維的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，測(cè)試樣品的剛度可以提高到基體材料的2倍[25]。添加體積分?jǐn)?shù)為16%的玻璃纖維，光敏樹脂的抗拉強(qiáng)度最高能增強(qiáng)到72 MPa[26]。

纖維提高光固化材料機(jī)械性能的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)某些負(fù)面影響，如填充纖維的團(tuán)聚以及對(duì)光的散射導(dǎo)致樹脂的黏度上升和透明度下降，影響光固化材料的成型分辨率[27]2391。納米尺度的纖維在提高光固化材料機(jī)械性能的同時(shí)所帶來(lái)的負(fù)面影響較小[23]5400。如二氧化硅(SiO2)納米顆?；旌系奖┧針渲?，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到17%時(shí)，復(fù)合材料的黏度僅有較小提升且材料的透光率保持不變[27]2395。此外，納米復(fù)合材料在耐熱性、固化收縮率等方面的優(yōu)勢(shì)也會(huì)使光固化模具的使用壽命提升。

3.3 機(jī)械特性總結(jié)

光固化模具的制備中成型層厚、固化時(shí)間和構(gòu)建方向等影響模具的機(jī)械特性，根據(jù)制備工藝與機(jī)械特性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系能夠確定模具制備的工藝參數(shù)。此外光固化模具的機(jī)械特性受溫度的影響較大，需要避免模具在極限溫度下強(qiáng)度過(guò)低而失效。光固化模具的機(jī)械特性決定了模具的使用壽命和常見失效形式，熔體填充時(shí)光固化模具會(huì)發(fā)生彎曲失效、剪切失效、裂紋擴(kuò)展和表面惡化失效等，產(chǎn)品彈出時(shí)模具容易出現(xiàn)拉伸失效等。利用填充纖維的方式可以增強(qiáng)光固化材料的機(jī)械特性，提高光固化模具的使用壽命。隨著納米復(fù)合材料的發(fā)展以及耐熱性與機(jī)械強(qiáng)度較高的工程塑料(如聚酰亞胺)在光固化快速原型中的應(yīng)用[28]，光固化快速模具將更好地應(yīng)用于中、小批量的注塑生產(chǎn)。

4 注塑工藝與產(chǎn)品特點(diǎn)

4.1 光固化模具注塑工藝

注塑工藝直接影響注塑產(chǎn)品的成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率[29]，根據(jù)模具結(jié)構(gòu)和注塑材料的流變學(xué)、熱機(jī)械性能選擇最佳的注塑工藝能夠促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升[30]。光固化模具注塑成型時(shí)提高模具溫度和注射速度有利于注塑產(chǎn)品表面質(zhì)量的提升[31]706。熔體流動(dòng)距離較長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)品表面容易出現(xiàn)垂直于流動(dòng)方向的明、暗條紋，這種流動(dòng)缺陷會(huì)影響產(chǎn)品的外觀和表面粗糙度[32]。提高注射速度能夠增大熔體和模具之間的切應(yīng)力從而減小流動(dòng)缺陷，但注射速度過(guò)高時(shí)熔體流動(dòng)的非穩(wěn)定性增加反而不利于填充進(jìn)行。提高模具溫度能夠使聚合物在固化前松弛也有利于流痕的消失[31]709，但模具溫度較高會(huì)對(duì)光固化模具的機(jī)械強(qiáng)度產(chǎn)生影響，增大模具失效的風(fēng)險(xiǎn)。

此外適當(dāng)增加保壓壓力與冷卻時(shí)間會(huì)使注塑產(chǎn)品的翹曲變形減小[33]，有利于提升注塑產(chǎn)品的尺寸精度。但增加保壓壓力與冷卻時(shí)間會(huì)使產(chǎn)品的脫模力增大，容易導(dǎo)致光固化模具出現(xiàn)拉伸失效[34]?？傊畠?yōu)化注塑工藝能夠提升光固化模具的成型質(zhì)量，但工藝參數(shù)的優(yōu)化范圍受光固化模具材料特性的限制，確定光固化模具的注塑工藝時(shí)需要考慮模具材料特性和模具使用壽命等邊界條件的限制。

4.2 光固化模具適用范圍

光固化模具雖然成功地成型了某些高熔點(diǎn)聚合物，但在極限工作條件下模具的使用壽命十分有限。光敏樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度決定了光固化模具更適合成型流動(dòng)性好、加工溫度較低的聚合物，如聚丙烯(PP)，丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和聚苯乙烯(PS)。這類聚合物要求模具溫度在45～50 ℃之間，低于光固化材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度[20]4，在該溫度范圍內(nèi)光固化模具的使用壽命較長(zhǎng)。此外非結(jié)晶類材料受冷卻速率的影響較小，當(dāng)產(chǎn)品對(duì)收縮率的要求較高時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇非結(jié)晶類聚合物作為光固化模具的注塑材料[35]。

光固化模具作為一種低成本的快速工具，主要用于成型尺寸較小的塑料制品。產(chǎn)品尺寸較大時(shí)熔體的散熱較為困難，光固化型腔容易在高溫熔體填充時(shí)受熱變形而失效[36]。為了避免熔體沖擊導(dǎo)致的模具失效，光固化模具的澆口附近壁厚應(yīng)較大，垂直于熔體流動(dòng)方向上不應(yīng)設(shè)置高展弦比的特征結(jié)構(gòu)。此外光固化模具應(yīng)設(shè)有排氣孔，避免熔體填充時(shí)局部空氣過(guò)熱造成表面燒蝕[20]16。

5 結(jié)語(yǔ)

利用光固化快速原型技術(shù)直接制備光固化模具，在制備成本、效率和靈活性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)模具。筆者闡述了光固化模具導(dǎo)熱特性和機(jī)械特性與傳統(tǒng)模具的差異，以及光固化模具注塑產(chǎn)品的特點(diǎn)。光固化快速原型的優(yōu)勢(shì)在于成型復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，未來(lái)光固化模具成型復(fù)雜曲面和微結(jié)構(gòu)的能力將會(huì)被開發(fā)。耐高溫光敏樹脂的出現(xiàn)與多材料快速原型技術(shù)的成熟也將進(jìn)一步拓展光固化模具成型材料的適用范圍和使用壽命。