光固化成型3D打印材料应用研究

王东峰

（菏泽学院蒋震机电工程学院 山东 菏泽 274000）

光固化成型3D打印材料应用研究

王东峰

（菏泽学院蒋震机电工程学院 山东 菏泽 274000）

3D打印技术因其灵活、便捷的特点获得广泛应用，光固化成型作为3D打印技术主要技术之一，近些年来取得飞速发展，其发展的核心环节是打印材料。文章首先介绍了3D打印技术的概念以及分类，以及光固化成型加工的特点及工艺过程，分析了光固化成型加工材料的基本要求。研究了目前主流的光固化成型材料光敏树脂的基本组成部分及市场化应用情况。文章通过对现有光固化成材料的应用情况，分析了光固化成型3D打印材料未来的发展趋势。

材料加工工程；3D打印；光固化成型；光敏树脂

1 概述

1.1 3D打印技术

3D打印技术作为一种新兴加工技术，因其灵活、便捷的特点近些年来在全世界范围内获得广泛应用[1]。由于受到国家层面的重视与政策引导，3D打印技术在国内的发展十分火热[2]，在诸如机械制造、航空航天、生物医药、艺术设计等多个领域获得广泛应用。所谓3D打印技术是增材制造（Additive Manufacturing）技术的通俗叫法[3]。和传统打印技术相比，3D打印能够实现三维坐标系内的打印，将原有打印范围从平面像三维立体扩展。3D打印技术是在上世纪八十年代诞生的快速成型（Rapid Prototyping）技术基础上发展而来，又被称为分层制造（Layered Manufacturing）技术。3D打印技术的基本原理是将体转化为面进行加工，相比于传统加工方式其有加工更为灵活、效率更高、节约材料，更容易实现自动化等特点。3D打印产业发展十分迅速，其全球市场规模连年快速增长，有望在2018年突破150亿美元[4]。

1.2 光固化成型技术

光固化成型（SLA）技术是3D打印技术的一个重要分支。3D打印技术具体可分为以下几种:光固化快速成型（SLA）、熔融沉积型（FDM）、激光粉末烧结（SLS）、数字光处理成型（DLP）和分层实体制造（LOM）等[5]。SLA（Stereo Lithigraphy Apparatus）技术最早由美国的3D Systerm公司的创始人Clales Hull于上世纪八十年代进行了商品化，作为发展较早3D打印技术之一，光固化快速成型技术目前发展已较为成熟获得广泛的应用[6，7]。SLA作为粘合型3D打印的代表技术，相比于沉积型3D打印技术其具备更高的精度和材料利用率。SLA的基本加工原理是利用光能将加工材料进行选择性固化，通过层层累积的方式获得最终成品，其加工的基本工艺流程如下：（1）将三维立体添加必要支撑。（2）将添加支撑后的立体进行分层和加工路径规划。（3）激光器按照规划路径对一个层面内的加工材料进行选择性固化。（4）加工工作台下降一个层厚，并对零位液面进行涂覆。（5）重复以上两个步骤直至所有层面加工完毕，工作台上升。（6）对工件进行去支撑、清洗，获得所需工件。

相比于FDM工艺，SLA工艺的层厚控制精度更高，因而台阶效应较弱，并且激光照射点位移速度较快，其成型速度更快、效率更高。但由于加工过程中随着加工材料的固化，其体积随之发生变化，从而缠身不小的体收缩率和线收缩率，对加工精度产生不利影响。

2 SLA加工材料

光固化成型加工涉及诸如机械、光学、材料等多学科领域，但材料作为其加工中最为重要的一环是SLA的核心关键[8]。一方面随着加工材料的发展能推动SLA的推广，另一方面加工材料的发展滞后也必然阻碍SLA的广泛应用。

2.1 SLA加工材料的基本要求

为了适应SLA的加工方式，使加工能够进行、获得质量较高的加工产品以及具备良好的加工工艺性，SLA加工材料应具备以下几点要求。

2.1.1 受到加工光照迅速固化

当激光光源选择性照射到加工材料时，其产生固化，这是加工能够实现的最根本基础。对于SLA加工，光源的移动速度越快其效率越高，因此必须保证加工材料在被光源照射到之后尽可能快速地固化。若凝固时间过长，材料长时间处于半固体状态会产生软粘效应，影响后续对后续层片的支撑，从而使加工精度降低。

2.1.2 加工固化后质量高

SLA加工的产品通常作为最终产品或进行翻模加工，因此要求加工材料成型后具有较高的表面质量。能够便捷加工不规则异形体是SLA加工的优点之一，而不规则的异形体通常在成型之后很难进行进一步高精度的加工，因此通过光固化过程拥有良好的表面质量是SLA加工材料基本要求。SLA材料在加工后应还当具备良好的力学性能、热稳定性以及抗腐蚀能力。

2.1.3 非加工状态下稳定性好

目前主流SLA加工设备都是采用紫外线作为加工光源，其加工材料对自然光敏感性不能过强。如果在自然光下发生聚合，产生变质甚至固化，必然会增大材料的储存难度，提高了对加工环境的要求。加工材料的稳定性还体现在其不易发生挥发，从而降低材料的非必要损耗。

2.1.4 其它方面要求

除了上述三种基本要求之外，SLA材料还应当具有环境友好性，应当是无毒、无污染的，以避免对加工者和环境造成危害。为了减少加工误差提高加工质量。加工材质应具备较小的收缩率和较低的粘度。为了能使SLA加工更易推广，SLA材料还应当具有较低的成本[9]。

2.2 光敏树脂

基于SLA加工方式的要求，光敏树脂类材料成为了目前应用最为广泛、主流的光固化成型3D打印材料。所谓光敏树脂又被成为UV（Ultraviolet Rays）树脂，是一种对紫外线敏感的正常（加工之前）形态为液态的树脂[10]。目前应用的光敏树脂有多种，其成分也不尽相同。但典型SLA用光敏树脂均由以下几种基本成分组成。

2.2.1 低分子聚合物

低分子聚合物（低聚物）又被成为齐聚物，是组成光敏树脂最基本也是最主要的组成物质[11]。齐聚物中含有大量的不饱和官能团以及对紫外线敏感的活性基团，因而可以使光敏树脂在加工受到紫外线照射时发生聚合反应，可以完成由液态向固态的转变。光敏树脂的很多性能如凝固速度、凝固收缩率、挥发性、力学性能等都是有低聚物决定的。低聚物的种类决定了光敏树脂的种类，目前应用较多的有丙烯酸酯类和不饱和聚酯类等。

2.2.2 活性单体

所谓活性单体是指光敏树脂中的反应性稀释剂，其在光敏树脂中的含量虽不如低分子聚合物，但其在SLA加工过程中发挥着不可或缺的作用，是光敏树脂的基本成分之一[12]。它的主要作用是调节光敏树脂的粘度，粘度过低则对快速固化不利，粘度过高影响涂覆刮板在层间加工时的涂覆。根据固化加工系统不同，采用的反应性稀释剂也不尽相同，常用的有乙烯基类和丙烯酸酯类。

2.2.3 光引发剂

光引发剂相比于上面两种成分在光敏树脂中的含量更少，一般不到百分之五。但它在加工的过程中扮演着最为重要的角色，是光源能量和低聚物之间的传递者。光引发剂可以吸收紫外线中的能量而转变为自由基体并具备一定的活性，促进低聚物聚合反应的发生。由于SLA所用光源多为紫外线，因此光敏树脂的主流引发剂为紫外线光引发剂。其它类型的光引发剂研发及应用均较少。

2.2.4 其它物质

为了满足不同的加工需求，不同的光敏树脂中还会有还含有其它物质。例如使打印产品具有不同颜色的染色剂，防止光敏树脂在加工过程中产生过多气泡影响加工质量的消泡剂，改善光敏树脂力学特性的填料等。这部分物质使光敏树脂拥有了满足特定需求的个性。

2.3 产品化的SLA材料

发达国家对光敏树脂的研究起步较早，在材料产业化方面处于领先地位，以至于一段时间内国内的SLA用材被国外公司垄断[13]。随着国内一些高校和研究机构近些年来的自主研发，国内光敏树脂被国外公司垄断情况有所好转。

目前主流的产品化SLA材料有美国3D Systerm公司生产的ACCURA系列、荷兰DSM基团下属的DSM Desotech公司生产的SOMOS系列、美国Vantico公司生产的SL系列等[14]。除此之外还有以色列的Object、德国的EOS等公司也有各自的产品系列。随着光引发剂等系列技术难题的克服，国内光敏树脂产业也取得飞速发展。西安交通大学自主研发出了的SPR、CPR光敏树脂系列占有一定的国内市场份额。青岛中科新材料公司研发出了低收缩率适用于高精度3D打印的光明树脂等[15]。

3 发展趋势

SLA加工和光敏树脂，从新兴事物到慢慢为人们所熟知获得广泛应用，经历了数十年的发展历程，但其仍有许多问题需要在今后的发展中进行完善。光固化成型材料未来的发展方向有以下三个方面。

3.1 种类多样化

目前来说已有多种光敏树脂应用于实际SLA加工，但和传统加工方式的可选用材料相比，光敏树脂的种类仍然不够细化。而且目前对于新型光敏树脂的研发多处于无序状态，未来应针对不同领域不同需求（如固化特性、力学性能）将光敏树脂进一笔种类系列化、细分化。光敏树脂是目前主流的SLA打印材料，但其有自身的固有缺点，可考虑其它类材料的开发。

3.2 改性研究

所谓光敏树脂改性是指通过在光敏树脂中加入基本成分之外的添加物质，从而实现提升光敏树脂的加工性能[16]。例如加入不同的添加剂可减少光明树脂的收缩率、避免出现翘曲、改善力学性能等。目前已有许多高校和机构开始着手，未来仍是一个重要方向。

3.3 增强工艺性

首先是对环境和人类的友好性。目前很多树脂材料中的基本成分或添加物质存在一定的毒性，未来应把安全性作为一个重要课题，使光敏树脂成为对环境和使用者无害的物质。增强工艺性还体现在降低光敏树脂的成本上，目前来说光敏树脂的价格普遍较高，严重阻碍其广泛应用，未来应努力降低其成本。

4 结论

3D打印已经为传统的加工方式带来了变革，SLA作为其主流技术之一已获得广泛应用。本文研究了主流3D打印技术的基本原理分类，研究了SLA加工材料的基本组成、应用和发展趋势。光敏树脂材料作为SLA加工的关键环节，对其不断研发应用必定会为3D打印技术的更广泛推广提供助力。我们应当抓住机遇直面挑战，努力缩小和世界先进水平之间的差距。

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Research on Application of Stereolithography 3D Printing Materials

WANG Dong-feng
(Heze University Institute of Jiang Zhen Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Heze 274000 )

3D printing technology has been widely used because of its fexible and convenient features. As one of the main technologies of 3D printing technology, stereo lithography has achieved rapid development in recent years, the core of its development is the printing material. This paper frst introduces the concept and classifcation of 3D printing technology, and the characteristics and process of stereo lithography, analyzes the basic requirements of light curing molding materials. Studies on the current mainstream light curing material ultraviolet rays resin, introduces the basic components and market applications. Based on the application of ultraviolet rays resin, this paper analyzes the future development trend of stereo lithography 3D printing materials.

Materials processing engineering; 3D printing; Stereo lithography apparatus; Ultraviolet rays resin

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.12.011

:WANG Dong-feng. Research on Application of Stereolithography 3D Printing Materials[J]. The Journal of New Industrialization, 2016, 6(12) : 59-63.

王东峰（1987-），男，助教，主要研究方向为机械设计与制造

本文引用格式：王东峰.光固化成型3D打印材料应用研究[J]. 新型工业化，2016，6（12）：59-63.