3d打印在工業(yè)中的應用

3d打印在工業(yè)中的應用

高速成像技術是近20世紀80年代開發(fā)的一種新成像技術。高速成像是基于材料分散和堆棧的原理。首先，將物理模型轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，然后將三維模型切分成層，然后根據(jù)配置好的數(shù)據(jù)層制作積累。目前已經(jīng)發(fā)展如基于激光技術的立體光固化(SLA)、激光選區(qū)燒結(SLS)、激光選區(qū)熔化(SLM)、分層實體制造(LOM)等,以及基于非激光技術的電子束熔化(EBM)、熔融沉積(FDM)、三維打印(3DP)等。通常把基于激光技術的稱為第一類快速成型技術,非激光技術的稱為新一代快速成型技術。據(jù)相關統(tǒng)計,從2003年起,新一代RP技術的快速成型機的年銷售量就已經(jīng)超過了第一代RP技術成型機。在新一代的RP技術中,3D打印由于操作簡單、成型速度快、成型過程無污染、成型件精度高,成為了當前快速成型技術的研究熱點。3D打印根據(jù)成型方式的不同可細分為粘結材料3D打印、熔融材料3D打印、光固化3D打印,其中光固化3D打印將光固化成型與噴射成型的優(yōu)點集于一身,成形速度快,工作效率高,具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚闹饕獙夤袒?D打印進行簡單介紹并對光固化3D打印材料進行闡述。1成形零件光固化3D打印工作原理與噴墨打印類似,在數(shù)字信號的控制下,噴嘴工作腔內(nèi)的液體光敏樹脂在瞬間形成液滴,在壓力作用下噴嘴噴出到指定的位置,然后通過紫外光對光敏樹脂固化,固化后逐層堆積,得到成形零件。成形過程如下:首先根據(jù)零件截面的形狀,控制打印噴頭沿X、Y軸運動,在既定截面的相關實體區(qū)域打印實體材料,在支撐區(qū)域打印支撐材料,并在紫外光的照射下進行固化,然后打印平臺沿Z軸下降一定高度,噴頭接著打印固化下一層,如此逐層打印固化直至工件的完成,最后除去工件中的支撐材料即可獲得所需的工件。2支撐材料分類光固化3D打印材料由光固化實體材料與支撐材料組成,其中支撐材料根據(jù)其固化方式不同又可分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。光固化支撐材料通常俗稱光敏樹脂,主要由齊聚物、反應性稀釋劑(活性單體)、光引發(fā)劑以及其它助劑組成。2.1充填材料填充光固化3D打印往往用來進行復雜結構零件的制造,這些復雜的結構中經(jīng)常會出現(xiàn)空洞和懸空的部分,為了避免在快速打印的過程中發(fā)生變形影響制件的形狀,給后續(xù)生產(chǎn)造成偏差。因此在空洞與懸空的部分用支撐材料填補。在噴射打印過程結束后,支撐材料必須從制件中去除且不能損壞實體模型。目前根據(jù)支撐材料固化形式不同,可以分為相變蠟支撐材料和光固化支撐材料。2.1.1本身支撐材料當溫度高于其熔點范圍時由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),從噴嘴噴出;噴出后溫度降低開始由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài),填補空洞或懸空部位,從而起到支撐的作用。相變蠟作為支撐材料具有以下優(yōu)點:原材料價格便宜,堵塞噴頭后易處理。缺點是混合蠟的相轉(zhuǎn)變?nèi)埸c較高。美國3DSystems公司在2003年開發(fā)的3DP是采用熱噴頭噴射熔融的混合蠟為支撐材料,并通過加熱熔化將其去除。2.1.2支撐作用是作用受光固化支撐材料也是光敏樹脂。其原理就是噴頭將支撐材料噴射出來,經(jīng)光照射后發(fā)生固化,填補制件中的空洞與懸空的部分,從而起到支撐作用。光固化支撐材料的優(yōu)勢是可以在相對低溫度下進行噴射,收縮率低且穩(wěn)定性高,從而提高了制件的精度。缺點是支撐材料容易堵塞噴頭且很難去除,容易損壞噴頭。目前以色列OBJETGeometries公司開發(fā)的Eden系列3D打印機,使用液態(tài)的光敏樹脂作為支撐材料,并利用紫外光固化,最后用水槍去除支撐材料。2.2實體材料2.2.1復配用光柵樹脂的制備工藝齊聚物也稱低聚物,是光固化材料中最為基礎的材料,決定了光敏樹脂的基本物理化學性能。因而在一個光敏樹脂配方中,齊聚物的選用是至關重要的。另一方面,3D打印的小型化、辦公室化也要求齊聚物必須無毒或低毒、難揮發(fā)并且氣味小。齊聚物的種類繁多,其中應用較多的主要包括如聚氨酯丙烯酸樹脂、環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂以及氨基丙烯酸樹脂等。2.2.2控制成球黏度反應性稀釋劑又稱活性單體,在光敏樹脂體系中有著十分重要的作用。一方面調(diào)節(jié)體系的黏度,降低齊聚物的黏度,避免噴頭因黏度過高而堵塞;另一方面反應性稀釋劑還參與到整個光固化反應之中,影響到聚合反應的動力學、聚合程度以及固化物的物理性質(zhì)等。雙官能團、三官能團以及更高官能度的反應性釋劑還能交聯(lián)固化形成交聯(lián)網(wǎng)絡,提高制品的物理性能?；钚詥误w主要有單官能團丙烯酸酯、雙官能團丙烯酸酯、多官能團丙烯酸酯、乙烯基類單體、乙烯基醚等。2.2.3陽離子型聚合酶在光敏樹脂體系中,光引發(fā)劑是最為關鍵的組分,它決定了光固化材料的質(zhì)量與光固化反應的速度。光引發(fā)劑因吸收引發(fā)輻射能的不同,可分為紫外光引發(fā)劑和可見光引發(fā)劑。光引發(fā)劑根據(jù)產(chǎn)生的活性中間體的不同可以分為陽離子型和自由基型兩大類。(1)陽離子型光引發(fā)劑陽離子型光引發(fā)劑在紫外光的照射下產(chǎn)生質(zhì)子酸或者路易斯酸,形成陽離子活性中心,活性中心引發(fā)齊聚物和活性稀釋劑發(fā)生陽離子的聚合與交聯(lián)反應。陽離子型引發(fā)體系的優(yōu)點有受氧阻聚的影響小,相對于自由基型引發(fā)劑體積收縮小,并且陽離子型體系所使用的樹脂類型并不限于丙烯酸酯類等。陽離子光引發(fā)劑包括二芳基碘鎓鹽、重氮鹽、烷基硫鎓鹽、鐵芳烴鹽等。(2)自由基型光引發(fā)劑自由基型光引發(fā)劑吸收紫外光,發(fā)生分裂反應或者提氫反應,產(chǎn)生活性自由基,接著活性自由基引發(fā)齊聚物和單體發(fā)生加成反應,單體和齊聚物的雙鍵不斷以連鎖反應機理迅速聚合加成固化。自由基光引發(fā)劑體系優(yōu)點有固化速度快、成本低、體系粘度小等,其缺點也是很明顯的,例如受表面氧的干擾,制件精度有所降低;反應后產(chǎn)生的應力變形大,體積收縮率較大,成型制件翹曲變形大等。自由基光引發(fā)劑主要包括兩類,一類是以二苯酮為代表的反應引發(fā)劑(米氏酮、二苯氧基二苯酮、硫雜蒽酮),另一類是以安息香醚為代表的單分子光解引發(fā)劑(安息香以及其醚類衍生物)。2.3品質(zhì)品質(zhì)其它助劑在光固化材料配方中雖然不如上面幾種重要,但是對于產(chǎn)品最后的品質(zhì)也十分重要。根據(jù)光固化材料使用場合的不同,助劑也有所不同,目前使用較多的助劑有填料、流平劑、阻聚劑、分散劑、防沉降劑、光穩(wěn)定劑、表面活性劑、顏料等。3體系組分的確定由于光固化3D打印的研究起步較晚,并且光敏樹脂體系組分較多,每種組分都有較大的選擇范圍,配方設計困難。目前能夠查閱到的相關專利極少,下面就國內(nèi)外關于3D打印光敏樹脂研究狀況作簡單介紹。3.1對于光柵樹脂的市場,國外其d打印材料以及生產(chǎn)和利用3dfiget樹脂進行打印的,是其目前受西方國家的制約國外由于起步較早,并且3D打印機能夠為光敏樹脂的研究提供實驗器材的支持,因而國外在3D打印光敏樹脂做的較為成熟。目前國外做的最好的就是以色列OBJET公司以及美國的3DSystems公司,這兩個公司占據(jù)了絕大部分3D打印光敏樹脂的市場。但是這些公司把光敏樹脂作為核心技術,成果很少對外公布,并且將這些光敏樹脂與其生產(chǎn)的光固化3D打印機捆綁銷售。以色列OBJET公司的材料種類有三大類實體材料和一種支撐材料。以色列OBJET公司于不同年份公布了四個光固化3D打印光敏樹脂專利,其中噴射用光敏樹脂的使用溫度為70~75℃。3.2光固化光柵樹脂的制備國內(nèi)相關光固化油墨、光固化涂料、光固化膠黏劑的研究較多也比較成熟,但是對于光固化3D打印用光敏樹脂卻很少。目前華中科技大學、西安交大等對于光固化3D打印光敏樹脂的研究投入較多,也研究出一些3D打印光敏樹脂,例如劉海濤等合成了可以作為實體材料的光敏預聚物以及光固化支撐材料。但是由于研究起步晚、投入少、規(guī)模小、力量分散,因而國內(nèi)關于3D打印光敏樹脂的研究總體上來看還是相當薄弱,能夠用于實際生產(chǎn)的產(chǎn)品就更少了。4d打印需要進一步改進快速成形技術發(fā)展時間不長,但是發(fā)展卻極為迅速,解決了很多傳統(tǒng)的加工技術很難解決的問題。3D打印是其中的佼佼者,成為最近的科技焦點,甚至被贊譽為第三次工業(yè)革命。雖然3D打印有自己獨特的優(yōu)勢,但是跟傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)加工相比,速度太慢,原