认识常见的五种3D打印技术--（SLA）光固化成型工艺

光固化成型工艺的原理及特点

技术原理：SLA（Stereo Lithography Apparatus，光敏树脂选择性固化）。在液槽中充满液态光敏树脂，其在激光器所发射的紫外激光束照射下，会快速固化（SLA与SLS所用的激光不同，SLA 用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光）。在成型开始时，可升降工作台处于液面以下，刚好一个截面层厚的高度。通过透镜聚焦后的激光束，按照机器指令将截面轮廓沿液面进行扫描。扫描区域的树脂快速固化，从而完成一层截面的加工过程，得到一层塑料薄片。然后，工作台下降一层截面层厚的高度，再固化另一层截面。这样层层叠加构成建构三维实体。

特点：
1.激光通过聚焦，光斑直径<0.15mm
2.成型精度高，可成型精细结构（如戒指等）
3.可制作任意复杂结构（如建筑模型、空心零件等)
4.表面光洁度高（表面Ra<0.1μm）
5.成型过程高度自动化，后处理简单（点支撑，易去除）
6.材料利用率接近100%

光固化材料

1.稀释单体种类对胶粘剂粘接强度的影响

通过实验得知，当稀释单体为四氢呋喃丙烯酸酯和丙烯异冰片酯时，相应胶粘剂的粘接强度相对较高，体积收缩率相对较低。这是由于这两种稀释单体均属于单官能团单体，并且两者侧基体积均较大，故相应胶粘剂的体积收缩率均相对较低；另外，四氢呋喃丙烯酸酯对大多数塑料（包括PC）的溶胀能力均较强，从而有利于改善相应胶粘剂与塑料间的粘接强度。综合考虑，本研究选择四氢呋喃丙烯酸酯作为UV固化胶的稀释单体。

2.偶联剂种类及用量对胶粘剂粘接强度的影响

KH-560、KH570对胶粘剂附着力的贡献相较大（这是由于前者分子中环氧基与PC的亲和力较好，后者分子中双键可在UV辐照下参与固化反应，故相应胶接件的剥离强度明显提高）。综合考虑，选择KH-560为偶联剂时较适宜。
通过实验可知，胶粘剂剥离强度随KH-560用量增加基本上呈先快速上升后趋于稳定态势；当w(KH-560）=1.50%时，胶粘剂的剥离强度相对最高。这是由于过少的KH-560不能完全润湿、覆盖被粘物表面，致使胶接件的剥离强度相对较低；过多的KH-560会与水在胶接界面处发生缩合反应，致使胶粘剂的剥离强度不升反降。综合考虑成本与性能因素，选择w(KH-560）=1.00%时较适宜。

▲图片来源：网络，中国同辐股份有限公司

3.填料种类及用量对胶粘剂粘接强度的影响

填料既可以调节体系黏度，又具有补强作用，因此填料种类对胶粘剂性能影响较大。在其他条件保持不变的前提下[如w(二官能团PUA)=64%、w(四氢呋喃丙烯酸酯)=30%、w(KH-560)=1.00%、w(填料)=2.0%和w(HCPK)=3.0%等]，通过改变填料类型来考察胶粘剂剥离强度的变化情况。
由实验可知，胶粘剂的剥离强度随填料种类不同而异;当填料为 Ti02 时，相应胶粘剂的剥离强度相对最低;当填料为nano-Si02 时，相应胶粘剂的剥离强度相对最高。这是由于 Ti02 能吸收大量UV辐射能，致使相应胶粘剂固化不完全，表现为胶粘剂的粘接强度极低；硅灰粉粒径较大，会阻止UV深层固化，致使相应胶粘剂的粘接强度相对较低;nano-CaC03 易吸湿，因而会严重影响UV固化胶的长期稳定性;nano-Si02既具有增黏作用，又赋予胶粘剂良好的粘接强度，因此本研究选择其作为UV固化胶的填料。

4.光引发剂用量对胶粘剂粘接强度的影响

UV固化胶的性能与光引发剂种类及用量有关:一方面光引发剂种类必须与UV辐射源相匹配;另一方面光引发剂用量会直接影响临界曝光量和透射深度，因而对胶粘剂的固化性能及固化深度影响较大。HCPK是常用的光引发剂，其最大吸收波长为333nm，与市售的主发射波长为365nm的UV辐射源相接近;同时其具有引发活性高、不易黄变和热稳定性好等优点。因此，本研究选择HCPK作为UV固化胶的光引发剂。
实验得知，胶粘剂剥离强度随HCPK用量增加呈先快速上升后缓慢下降态势;当 w(HCPK)=3.0%时，剥离强度相对最大。这是由于光引发剂用量过少时，胶粘剂固化不充分，表现为剥离强度相对较低光引发;剂用量过多时，体系中会残留较多的引发剂，致使胶粘剂的粘接强度和耐久性呈下降态势。综合考虑，选择w(HCPK)=3.0%时较适宜。
以二官能团PUA(聚氨酯丙烯酸酯)为基体树脂、四氢呋喃丙烯酸酯释单体、r-缩水甘油醚基丙基三甲氧基硅烷(KH-560)为偶联剂、HCPK(1-羟基环己基苯基甲酮)为光引发剂和nano-Si02(纳米二氧化硅)为填料，成功制备出一种UV(紫外光)固化胶。将UV固化胶用于PC(聚碳酸酯)塑料片材的胶接，并以该胶接件的T型剥离强度作为考核指标，采用单因素试验法优选出制备UV固化胶的较佳配方。结果表明:当w(二官能团PUA)=64%、w(HCPK)=3.0%、w(KH-560)=1.00% w(四氢呋喃丙烯酸酯)=30%和w(nano-Si02)=2.0%时，UV固化胶的剥离强度达到甚至超过市售同类产品。

固化胶及测试用样品的制备
(1)UV固化胶的配制:用稀释单体溶解HCPK，然后加入其他组分，搅拌均匀即可。
(2)PC胶接件的制备将两块相同尺寸的PC片材(300mmx25mm)胶接在一起(胶接面积为180mmx25mm，胶层厚度为0.02~0.03mm)，UV辐照下固化完全(UV辐射源的主波长为365nm，入射光强为60mW/cm2，光照时间为20s)。

光固化成型工艺的应用

激光快速成型技术可以在无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下生产出任意复杂形状三维物理实体。这项技术的应用大大缩短新产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量，目前已被广泛应用于航天航空、机械制造、建筑设计、工业设计、医疗、动漫、影视制作等多个行业。

▲3D打印在医疗方面的应用

文字摘抄于《3D打印实务》江泽星著