DLP型3D打印機參數對樹脂影響的研究

席曉華

(山西省化工研究所有限公司，山西 太原 030600)

引 言

3D打印，又稱增材制造(additive manufacturing，AM)，是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術[1-2]，該技術實現了制造方式從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統制造的理念和模式。3D打印因具有速度快、精度高、設計自由、節省材料[3-5]等優點已被廣泛應用在汽車制造、衛生醫療、航空航天等領域[6-8]。

3D打印技術按工藝類型的不同，可分選擇性激光燒結成型SLS(selective laser sintering)、選擇性激光熔化成型SLM(selective laser melting)、熔融沉積式成型FDM(fused deposition modeling)、立體平板印刷SLA(stereolithography)、數字光處理DLP(digital light procession)等。在當前這些成型技術中，數字光處理技術DLP是數字光源以面光的形式在液態光敏樹脂表面進行層層投影，每一層樹脂被固化到一定的深度，會附著在支撐平臺上或已固化的樹脂上，這樣層層固化，最終得到成型固化產品的一種技術，具有打印體體積小、打印精度高等優點[9]，在整個成型的過程中具有無毒、無刺激等環保性質[10-11]，3D打印技術所涉及到的打印材料主要有樹脂類、石蠟類、金屬材料、陶瓷材料及其復合材料(主要是乳酸和丙烯腈丁二烯苯乙烯)等[12]。據調查研究發現，樹脂類當中的光敏聚合物占3D打印材料市場的30.1%，排名第一。

3D打印技術按市場需求的不同，分為3D打印材料、3D打印機械制造及3D打印工藝等，而3D打印工藝約為整個市場規模的58.4%，也意味著打印工藝已經成為行業發展的重要推動力量。國內閆麗靜[13]、金澤楓[14]、韓江[15]及國外C.S.Lee[16]、B.H.Lee[17]等對FDM成型工藝進行了大量的研究；楊娜娜[18]、劉海濤[19]、郭亮[20]、蔣三生[21]等對SLA光固化成型打印工藝進行了相關研究。但是，針對DLP光固化成型打印工藝對材料制品的性能影響研究報道則很少。因此，對DLP型3D打印機打印參數的研究具有非常重要的現實意義和應用價值。本文主要就本研發團隊所研發出的光敏樹脂配方為例，通過對樹脂配方進行了黏度、硬度、拉伸性能、斷裂伸長率、收縮率等測試，研究打印參數(固化時間)、打印后處理對成型模型的影響，旨在研發出一款適用于一般打印機的光敏樹脂。

1 實驗部分

1.1 原材料

光敏樹脂，001，山西增材制造研究有限公司。

1.2 儀器及設備

電子分析天平，萬特；邵氏硬度儀，D Type；數顯黏度計，DV-E型；萬能材料試驗機，M10型號，美國Instron；紫外線固化燈，405 nm，功率20 W，廣東省中山市橫欄鎮三沙工業園；游標卡尺，艾瑞澤，中國；切片軟件，Dolphin Studio.exe.lnk；DLP打印機，DLP-H100。

1.3 DLP打印機上打印

將光固化樹脂置于DLP型3D打印機上打印，分別設置如下不同的參數：(a)首層固化時間為45 s，輪廓時間定為1 s，基礎固化時間分別6、7、8、9、10、11、12、13、14、15 s；(b)基礎固化時間為13 s，輪廓時間定為1 s，首層固化時間分別15、20、25、30、35、40、45、50 s對拉伸樣條進行打印，在光下放置5 h備用。拉伸樣條的形狀及尺寸如圖1，設置為總長度75 mm，厚度 2 mm，標距25 mm。

圖1 拉伸樣條

1.4 測試方法

黏度使用數顯黏度計測試；拉伸強度采用GB/T 1040.2—2006/ISO 527—2,1993測定測試；用游標卡尺測量長寬的收縮率；用邵氏硬度儀測試邵氏硬度。

2 結果及討論

2.1 黏度

將001樹脂搖勻，置于燒杯中，在25 ℃、轉速50 r/min條件下測其黏度。黏度大小為278 mpa·s，即流動性良好，有利于打印機打印。

2.2 打印參數的影響

打印參數是液態光敏樹脂固化為成型工件不可避免的的操作步驟，參數的設置直接影響成型工件的外觀及性能。圖2為不同基礎固化時間參數下打印的拉伸樣條。

2.2.1 拉伸樣條的外形

從圖2中，可以清楚地看到隨著基礎固化時間的增加，拉伸樣條的外形逐漸變得完整，基礎固化時間為6 s～9 s時，拉伸樣條上有斷痕，基礎固化時間為10 s～11 s時，拉伸樣條打印趨于完整，基礎固化時間為12 s～14 s，拉伸樣條完整，基礎固化時間為15時，拉伸樣條上有多余的固化樹脂。這是因為，固化時間太短時，樹脂剛固化成為凝膠，不足以抵擋打印地板向上的拉力，故出現裂痕，隨著打印時間的增加，固化逐漸趨于完全，打印的拉伸條也相應完整，當固化時間太長時，出現了過固化，故有多余的樹脂固化在了拉伸樣條上，如拉伸樣條15。

圖2 不同基礎固化時間下的實物樣條圖

2.2.2 力學性能

對首層固化時間為45 s，輪廓時間為1 s，基礎固化時間10 s～15 s的上述拉伸樣條進行力學性能的測試，結果如圖3。其中，A曲線代表拉伸強度隨基礎固化時間增長而變化。從圖中3可以看出，基礎固化時間從10 s～14 s，拉伸樣條的拉伸強度逐漸增大，這是由于固化時間的增大，凝膠率增加，故拉伸強度增大；14 s～15 s，拉伸樣條的拉伸強度反而減少，這是因為凝膠率已經在14 s達到最大。B曲線代表斷裂伸長率隨基礎固化時間的增大先增加后減小。

圖3 拉伸強度及斷裂伸長率隨基礎固化時間的變化

對上述的拉伸樣條進行硬度的測試和收縮率的測試，得到表1。

從表1可以清楚地看到，隨著基礎固化時間的增加，硬度有一定的增加。在圖3中，隨著基礎固化時間的增加，拉伸強度雖有增加，但是增加幅度很小。從表1中可以看到，在完整成型件所需基礎固化時間內，硬度幾乎不變，這說明對于外貌成型完好的固化件來說，基礎固化時間對成型件的力學性能幾乎沒有影響。

表1 不同基礎固化時間下拉伸樣條的硬度

對基礎固化時間為13 s，輪廓時間定為1 s，首層固化時間分別15、20、25、30、35、40、45、50 s的拉伸樣條放置5 h后進行力學性能的測試，得到表2。

表2 不同首層固化時間下拉伸樣條的力學性能

從表2中可以看到，在基礎固化時間、輪廓時間為一定值時，首層固化時間在一定時間范圍內變化，拉伸強度、斷裂伸長率、硬度并沒有太大的變化。

綜上所述，首層固化時間主要影響固化樹脂與支撐平臺之間作用力，首層固化時間短，成型品易掉落，首層固化時間太長，成型品不易取下，或取下時易破壞成型品；而基礎固化時間一定程度上影響成型品的力學性能，考慮打印時間等打印成本，在打印較大件時，一般選取基礎固化時間為12 s～13 s，首層固化時間為45 s；在打印較小件時，一般選取基礎固化時間為10 s～11 s，首層固化時間為25 s。

2.3 后固化對拉伸樣條的影響

將基礎固化時間13 s、首層固化時間45 s打印參數下打印的拉伸樣條隨機分為4組Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ(每組有5個拉伸樣條)，Ⅰ、Ⅱ組用工業酒精各噴洗10 s(可根據樣品件的大小來決定噴洗時間，一般以各個部分噴洗到位即可)，Ⅲ、Ⅳ組用酒精浸泡10 s，從4組樣條來看，用酒精浸泡過的拉伸樣條角落部分有損傷，這是因為酒精浸潤到未固化徹底的拉伸樣條的邊角部分。將Ⅰ組、Ⅱ組的拉伸樣條分別置于陰涼處和光照下不同時間，測得的力學性能如圖4，圖4(a)是Ⅰ組、Ⅱ組硬度隨后固化時間的變化，圖4(b)圖是Ⅰ組、Ⅱ組斷裂伸長率隨后固化時間的變化，圖4(c)圖是Ⅰ組、Ⅱ組拉伸強度隨后固化時間的變化。

用游標卡尺測量后固化后拉伸樣條大小，與設計的樣條相比，其收縮率如表3。從表3中得出，在相同后固化時間，光照下的收縮率小，陰暗處的收縮率大。

從圖4中可以看出，拉伸強度、斷裂伸長率、硬度隨后固化時間的增加呈增加趨勢。在光照下，這些參數比在陰涼處增加的趨勢更大，即3D打印出來的模型力學性能更好。

表3 收縮率隨后固化時間的增加而變化

圖4 不同環境下拉伸樣條的力學性能

3 結論

本文基于山西省增材研究院所研發出的DLP型3D打印光敏樹脂，研究打印參數、后固化時間和環境對打印成品的外觀、力學性能、收縮率的影響。結果表明，對于大部分打印件來說，基礎固化時間為11 s～13 s，首層固化時間為40 s～45 s時為最佳，如果打印件較小，首層固化時間可以減少。另外，打印件放在光照下后固化5 h的效果更好。本文一方面驗證了山西省增材研究院所研發出的DLP型3D打印光敏樹脂的精準度，另一方面也研究了打印參數，為后續開拓普適性的光固化樹脂提供了參考。