光敏樹脂及其主要打印工藝

1、 3D打印用光敏樹脂

光敏樹脂是一種在原料狀态下為穩定液态的打印材料，這些樹脂通常包括聚合物單體、預聚體和紫外光引發劑等組分，在打印過程中，紫外激光的照射能令其瞬間固化。因此，這類打印耗材有很好的表幹性能，成型後表面平滑光潔，産品分辨率高，細節展示出色，質量甚至超過注塑産品。這些突出的優勢令光敏樹脂成為高端、藝術類３Ｄ打印制品的首選材料。然而，目前的光敏樹脂成本依舊偏高，且機械強度、耐熱和耐候性大多低于ＦＤＭ 用的工程塑料耗材，在一定程度影響了材料的應用範圍。當前已經報道的３Ｄ打印用光敏樹脂種類繁多，研發也較為活躍，但能夠進入實用商業化的較為有限，主要種類有環氧丙烯酸酯類、不飽和聚酯、聚氨酯丙烯酸酯等，這些樹脂均有各自不同的優勢和不足，其中，環氧丙烯酸酯具有固化後硬度高、體積收縮率小、化學穩定性好等優點，但黏度偏大，不利于成型加工；而不飽和聚酯粘度适宜且容易成型，但固化後硬度和強度較差，容易收縮；聚氨酯丙烯酸酯具有較好的韌性、耐磨性和光學性能，但其聚合活性和色度控制較為困難。因此，商業化的光敏樹脂往往為多種光敏聚合物的組合，以達到取長補短的效果。例如，黃筆武等采用脂環族縮水甘油酯、雙酚Ａ型環氧樹脂、環氧丙烯酸酯、脂環族環氧樹脂、１，４－環己基二甲醇二乙烯基醚、聚丙二醇二縮水甘油醚二丙烯酸酯與适當引發劑共混，制備了黏度适中，光敏性較好，固化物體積收縮率小，且具有較好力學性能和熱性能的新型光敏樹脂。

作為最早出現的快速成型制造工藝，ＳＬＡ經過了長期的商業化檢驗，在工藝本身和材料開發上都具有較高的成熟度。其原材料的利用率将近１００％，尺寸精度很高，表面質量優良，可以制作結構十分複雜的模型，是目前高端３Ｄ打印設備與工藝品３Ｄ打印的主流技術。然而該工藝也存在一定的缺點，如設備造價高昂，使用和維護成本過高；打印材料必須具有光敏特性，價格昂貴，實用化種類有限，制備工藝較為複雜；且這些光敏聚合物成型後，強度、耐熱性和對光照射的抵抗力普遍較差，難以長時間保存。

聚合物噴射（ＰｏｌｙＪｅｔ）也是以光敏樹脂為打印材料的打印工藝，成型原理與ＦＤＭ 有點類似，不過噴頭噴出的不是熱塑性的絲狀耗材，而是液态的光敏高分子，同時需要一個ＵＶ紫外燈作為固化源。一般地，當光敏聚合材料被噴射到工作台上後，ＵＶ紫外燈将沿着噴頭工作的方向發射出紫外光對光敏聚合物進行固化。當完成一層的噴射打印和固化後，設備内置的工作台會精準地下降一個成型層厚，噴頭繼續噴射光敏聚合材料進行下一層的打印和固化，如此循環直到打印完成（見圖４）。如果需要支撐材料，産品成型的過程中可以使用兩種不同類型的光敏樹脂，一種是用來生成實際模型的材料，另一種是膠狀水溶性的樹脂，用來作為支撐。這種支撐材料可以精确地添加到複雜成型結構模型所需的位置，同時當打印成型過程結束後，隻需使用水槍就可以十分容易地把這種支撐材料去除，而最後留下的是擁有整潔光滑表面的成型産品。

與ＳＬＡ技術類似，使用ＰｏｌｙＪｅｔ技術成型的産品精度非常高，且支撐材料容易清除，表面質量優異，可以制備非常複雜的模型，同時與ＳＬＡ相比，其設備的成本和操作難度均相對較低，更有利于高質量３Ｄ打印産品的普及。然而，由于需要使用光敏聚合物，ＰｏｌｙＪｅｔ技術仍然面臨和ＳＬＡ技術類似的問題，如耗材成本較高，産品的力學強度、耐熱和耐候性都相對較差等。

3 結語

近年來，３Ｄ打印技術獲得了突飛猛進的發展，新的高分子打印材料和打印技術層出不窮，然而，高分子的３Ｄ打印領域仍然面臨一系列的問題和挑戰，具體表現為：（１）目前的高分子３Ｄ打印材料普遍價格高昂，１ｋｇ打印材料價格少則近百元，多則數萬元，與之相比，傳統制造技術所用的原料價格則較為低廉；（２）由于需要與特定的打印工藝配合，這些高分子材料的研發通常傾向于犧牲材料本身的力學性能、熱穩定性、耐候性等性質，而盡量确保材料的可加工性，因此打印産品的性能與傳統制造技術制備的産品有一定差距；（３）目前對高分子３Ｄ打印材料及其打印技術的開發仍處于較為初始且無序的階段，較少研究深入探索打印材料結構、性質和打印技術的關系，缺乏質量測試程序和方法的開發，同時也很少建立３Ｄ打印材料和打印技術相關的規範性标準；（４）為了使３Ｄ打印技術實現更多領域的應用，就需要不斷開發出新的可打印材料和打印技術，以滿足關鍵領域的增材制造的需求。因此，當前對高分子３Ｄ打印材料及其打印技術的研發，應當逐漸進入标準化、體系化的軌道，完善已有高分子３Ｄ打印材料及其打印技術的标準，同時加大原有材料改性和新材料的研究和産業化，努力提升高分子３Ｄ打印材料産品的質量并降低成本。可以相信，由于性能上的諸多優勢和較為成熟的研發基礎，高分子材料及其打印技術能夠在未來的３Ｄ打印行業中繼續占據主流地位。