基于3D打印机高分子材料SLA应用

2022.09.26

蒋素清于云峰

摘要：30打印机通过增加材料、降低制造难度，对于传统加工方法尤其是复杂性零件加工问题得到很好的解决；材料类型有三大类：金属材料、高分子材料和无机非金属材料；本文主要介绍应用最广的高分子材料成型原理、打印流程、设备参数及实际应用意义。

关键词：3D打印机；复杂性零件；成型原理；打印流程

0 引言

3D打印机的加工方式以低速静态为主，随着现代制造技术的发展，对加工材料提出了更高的精度和速度要求。随着科学技术的发展，制造业生产领域技术不断提高，生产产品的竞争越来越激烈，如果能缩短产品的开发周期，加速产品的设计速度，将成为制造业这一行业的一大优势。在生产产品的设计与研发中主要应用计算机辅助技术，如CAD（计算机輔助设计）、CAM（计算机辅助制造）、（CAE）计算机辅助工程、并行工程（ ConCurrent Engineering）等，随着这些技术的应用，使得生产产品开发周期大量的缩短。然而，由于在计算机辅助技术设计和加工产品时，加工设备自身的局限性，零件设计与产品加工有很强的关联性，有时因工艺、材料、设备等因素影响零件的功能。

3D打印机的应用，使得这些问题得到了一定程度的改善，其特点在于独特的增加材料加工技术降低了零件的加工难度，而且便于去除支撑材料，解决了许多传统加工方法无法解决的问题。

3D打印机的发展不仅成为未来世界新的创造性科技，更是掀起了世界性制造业革命的热潮，不仅改变了多年来制造业的生产方式，也进入到我们的日常生活。3D打印机作为一种高科技设备，综合应用了CAD技术、CAM技术、激光学、光化学及材料科学等诸多方面的科学与技术。它使得产品设计、工业设计、建筑设计及医疗用品设计等领域的研发者，能够快捷方便地获得三维实物模型，方便后期的设计。所以材料在3D打印中占关键作用。

1 高分子材料背景

3D打印技术是快速成型技术的一种。它是一种以数字模型文件为基础，运用高分子材料或金属粉末材料的可粘合特点，通过逐层打印的加工方式来制造产品。日常中常用的3D打印材料有三大类：无机非金属材料、金属材料和高分子材料。其中用量最大、应用范围最广、成型方式最多的材料为高分子材料。其中主要包括以下几种：

1）光敏树脂

2）高分子丝材

3）高分子粉末

目前光敏树脂则是SLA（光固化立体成型技术）的主要打印材料。

2 SLA成型原理

光敏树脂是UV（ Ultraviolet Rays）树脂，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光（紫外光）引发剂（或称为光敏剂）。在一定波长的紫外光（l00-400nm，介于X射线与可见光之间的电磁波）照射下能立刻引起聚合反应完成固化。光敏树脂一般为液态，可用于制作高强度、耐高温、防水材料。如图1所示。

我们现在常用的3D打印光敏树脂材料大多为环氧树脂。

目前，研究光敏材料机构主要有美国3D Systems公司和以色列Ohject公司。常见的光敏树脂有UV Plus材料、UV-Pure树脂和环氧树脂。

UV Plus树脂材料为白色，塑性、韧性都非常好，基本可达到加工的尼龙材料所要求的性能，而且表面粗糙度和精度较好。制造的部件拥有良好的塑性和韧性，同时保持了光固化立体造型材料做工精致、尺寸精确和外观漂亮的优点，主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。

UV-Pure材料看上去更像是真实透明的塑料，具有优秀的防水和尺寸稳定性，能提供包括ABS和PBT在内的多种类似T程塑料的特性，这些特性使它很适合用在汽车、医疗以及电子类产品领域。

光固化（Stereolithography，简写SLA）该技术利用液态光敏树脂为基础材料，液态树脂在一定的光源照射下产生凝固，生产产品精度和表面粗糙度是目前所有3D打印技术中精度最高的；其工作原理是利用一定波长与强烈的紫外激光（355纳米）透过透镜、偏振镜聚焦到指定的固化位置，凝固顺序由点到线，再由线到面，形成一个平面的产品，再由升降台在Z垂直方向上下移动形成一层一层面的高度，最后固化到另外一个层面，层层叠加，加工为一个三维实体。

多喷头打印所实现的高分辨边角锐化分明，实现多材料复合打印。

3 主要设备

打印设备主要参数如表1：

激光系统LASERSYSTEM

激光类型：二极管泵浦同体激光器Nd： YV04

波长：354.7mn

最低功率：300mW

重涂系统RECOATINSYSTEM

涂铺方式：智能定位真空吸附涂层

正常层厚：O.1mm

快速制作层厚：0.1～0.15mm

精密制作层厚：0.05—O.lmm

光学扫描系统OPTICAL&SCANNINC;

光斑（直径@I/e2）：0.10—0.16mm

扫捕振镜：SCANLAB

零件扫描速度：推荐6.Om/s

零件跳跨速度：推荐lO.Om/s

参考制作重量：30—lOOg/h

4 实际应用范例

透明的石英玻璃部件，原料：可光固化二氧化硅纳米复合材料，工艺：SLA，性能：打印出的熔融石英玻璃是无孔的，并且具有几纳米粗糙度的光滑表面，在宏观和微观尺度都高度透明，耐高温，耐化学腐蚀。并且通过在里面掺杂金属盐，还可以产生有色玻璃。实验操作图a，与阿米替林纳米粉末}昆合的紫外线固化单体在立体光刻系统中构成。所得到的聚合复合材料通过热脱脂和烧结（比例尺，7mm）变成熔融石英玻璃.b，c。印刷和烧结玻璃结构的实例：卡尔斯鲁厄理丁学院（h；比例尺，Smm）和椒盐卷饼（c；比例尺，Smm）。d，证明印刷石英玻璃（比例尺，1厘米）的高耐热性。火焰的温度约为800℃，实体图形如图5。

最小层厚16μm，保证精度lOO%REALWAX材料，铸造无残留，每年生产透明的牙齿矫正器- 1700万，已有世界知名品牌

5 结束语

利用3D打印缩短产品工时可达数倍甚至数十倍，在一定程度上缩短原产品加工周期，减少新产品的研发周期，提高了复杂模型的生产能力，让复杂模型的加工变为可能；其加工过程的数字化，产品尺寸可大可小，在加丁时可以及时发现生产产品中的错误，及时修正，避免了传统加工方法、丁艺产生的损失，提高设计产品的成功率及减少了设计周期；非接触式生产加工方法避免工.具磨损和更换，利用光敏树脂作为原材料，清洁干净，表面粗糙度和精度高，坏了便于更换，方便后期处理，同时生产设备成本低，维护方便。