3d打印機(jī)光固化和熱固化的區(qū)別【一文搞懂】

快速成型技術(shù)是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新式的成型技術(shù)，快速成型是基于材料離散、堆積的原理以及分層數(shù)據(jù)處理的方法，首先通過相關(guān)軟件將物理模型轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息或者使用三維掃描儀將物理模型轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字立體模型，然后電腦把原來的三維模型分成一系列的層片，接著噴頭根據(jù)電腦設(shè)定好的數(shù)據(jù)層層制造堆積成形。目前已經(jīng)發(fā)展了十余種快速成型的技術(shù)，例如基于激光技術(shù)的立體光固化(SLA)、激光選區(qū)燒結(jié)(SLS)、激光選區(qū)熔化(SLM)、分層實(shí)體制造(LOM)等，以及基于非激光技術(shù)的電子束熔化(EBM)、熔融沉積(FDM)、沖擊微粒制造(BPM)、三維打印(3DP)等。通常把基于激光技術(shù)的稱為第一類快速成型技術(shù)，非激光技術(shù)的稱為新一代快速成型技術(shù)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，從2003年起，新一代RP技術(shù)的快速成型機(jī)的年銷售量就已經(jīng)超過了第一代RP技術(shù)成型機(jī)。在新一代的RP技術(shù)中，3D打印由于操作簡(jiǎn)單、成型速度快、成型過程無污染、成型件精度高且可以在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。因此，3D打印技術(shù)成為了當(dāng)前快速成型技術(shù)的研究熱點(diǎn)。光固化3D打印:光固化3D打印工作原理與噴墨打印類似，是基于液體噴射原理的RP技術(shù)，在數(shù)字信號(hào)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，在壓力作用下以一定的速度與頻率從噴嘴噴出到指定的位置，然后通過紫外光對(duì)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(yùn)動(dòng)，在既定截面的相關(guān)實(shí)體區(qū)域打印實(shí)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(jìn)行固化，然后打印平臺(tái)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。圖1為光固化3D打印工作原理圖。光圈化3D打印材料的組成光固化3D打印材料由光固化實(shí)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。光固化材料通常俗稱光敏樹脂，主要由齊聚物、反應(yīng)性稀釋劑(活性單體)、光引發(fā)劑以及其他助劑組成。1．支撐材料光固化3D打印往往用來進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)空洞和懸空的部分，為了避免在快速打印的過程中這些空洞與懸空的部分由于并未完全固化而發(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(bǔ)。在噴射打印過程結(jié)束后，支撐材料必須從制件中去除且不能損壞實(shí)體模型以及影響實(shí)體材料的表面精度與光潔度。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。1)相變蠟支撐材料相變蠟支撐材料是利用了混合蠟在不同的溫度下固態(tài)與液態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)變的原理。溫度高于其熔點(diǎn)范圍時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，從噴嘴噴出；噴出后溫度逐漸降低至凝固點(diǎn)范圍時(shí)開始由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，填補(bǔ)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(diǎn)：原材料價(jià)格便宜，堵塞噴頭后易處理。缺點(diǎn)是混合蠟的相轉(zhuǎn)變是在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，且熔點(diǎn)較高，另外由于混合蠟本身的物理性質(zhì)會(huì)使制件的成形精度相對(duì)于光固化支撐材料差。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)光固化支撐材料光固化支撐材料同實(shí)體材料一樣，都是光敏樹脂。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(bǔ)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(shì)是可以在相對(duì)混合蠟低的溫度下進(jìn)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(diǎn)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OBfETGeometries公司開發(fā)的Eden系列3D打印機(jī)，使用液態(tài)的光敏樹脂作為支撐材料，并利用紫外光固化，最后用水槍除去支撐材料。2．實(shí)體材料1)齊聚物齊聚物也稱低聚物，是含有不飽和官能團(tuán)的低分子聚合物，是光固化材料中最為基礎(chǔ)的材料，決定了光敏樹脂的基本物理化學(xué)性能，如黏度、硬度、斷裂伸長(zhǎng)率等。因而，在一個(gè)光敏樹脂配方中，齊聚物的選用是至關(guān)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(yīng)用較多的主要包括各類丙烯酸樹脂，例如聚氨酯丙烯酸樹脂、環(huán)氧丙烯酸樹脂、聚丙烯酸樹脂、聚醚丙烯酸樹脂、丙烯酸酸化丙烯酸樹脂、堿溶性光成像樹脂以及氨基丙烯酸樹脂等。2)反應(yīng)性稀釋劑反應(yīng)性稀釋劑又稱活性單體，是含有雙鍵的小分子溶劑，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(yīng)性稀釋劑還參與到整個(gè)光固化反應(yīng)之中，影響到聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)、聚合程度以及固化物的物理性質(zhì)等。在發(fā)生反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)性稀釋劑把高分子量的齊聚物分子連接在一起，對(duì)完全固化有著重要的貢獻(xiàn)。此外，雙官能團(tuán)、三官能團(tuán)以及更高官能度的反應(yīng)性釋劑還能交聯(lián)固化形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，大大提高制品的物理性能。與齊聚物一樣，反應(yīng)性稀釋劑必須具有無毒或低毒、難揮發(fā)以及氣味小等特點(diǎn)：活性單體主要有單宮能團(tuán)丙烯酸酯、雙官能團(tuán)丙烯酸酯、多官能團(tuán)丙烯酸酯、乙烯基類單體、乙烯基醚、含甲氧端基的單官能團(tuán)丙烯酸酯、含氨基甲酸酯的單官能團(tuán)丙烯酸酯等。3)光引發(fā)劑在光敏樹脂體系中，光引發(fā)劑是最為關(guān)鍵的組分，它決定了光固化材料的質(zhì)量與光固化反應(yīng)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，目前光固化3D打印中主要使用紫外光光源，可見光引發(fā)劑由于不穩(wěn)定存儲(chǔ)困難，現(xiàn)階段研究較少。光引發(fā)劑根據(jù)產(chǎn)生的活性中IN體的不同可以分為陽離子型光引發(fā)劑和自由基型光引發(fā)劑兩大類，目前也研究結(jié)合二者的混雜型光引發(fā)劑。光固化3D打印材料國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀由于光固4t3D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(shè)計(jì)困難。目前能夠查閱到的相關(guān)專利極少，下面就國內(nèi)外關(guān)于3D打印光敏樹脂研究狀況作簡(jiǎn)單介紹。1．國外研究現(xiàn)狀國外由于起步較早，并且3D打印機(jī)能夠?yàn)楣饷魳渲难芯刻峁?shí)驗(yàn)器材的支持，因而國外在3D打印光敏樹脂方面做的較為成熟。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(gè)公司占據(jù)了絕大部分3D打印光敏樹脂的市場(chǎng)。但是這些公司把光敏樹脂作為核心技術(shù)，成果很少對(duì)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(jī)捆綁銷售。以色列OBJET公司的材料種類有三大類實(shí)體材料和一種支撐材料，即Vero系列光敏樹脂，F(xiàn)ullCure系列丙烯酸酯基光敏樹脂，Tango系列類橡膠光敏樹脂材料，支撐材料是FullCure705水溶性高分子材料。以色列OBJET公司于不同年份公布了四個(gè)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℃。2．國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)相關(guān)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(duì)于光固化3D打印用光敏樹脂卻很少。目前，華中科技大學(xué)、西安交大等對(duì)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(shí)體材料的光敏預(yù)聚物以及光固4t支撐材料，黃志斌等通過邁克爾加成合成了一類可快速固化的超支化的光敏樹脂。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(guān)于3D打印光敏樹脂的研究總體上來看還是相當(dāng)薄弱，能夠用于實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品就更少了?？偨Y(jié)與展望：快速成形技術(shù)發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，但是發(fā)展卻極為迅速，解決了很多傳統(tǒng)的加工技術(shù)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(diǎn)，甚至被贊譽(yù)為第三次工業(yè)革命。雖然3D打印有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是跟傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)加工相比，速度太慢，原材料受到很大限制，想要通過3D打印大批量制件并取代傳統(tǒng)的