【分析】光敏樹脂3d打印材料的應(yīng)用解析

光固化SLA材料早在4000多年前就被古埃及人應(yīng)用在木乃伊的制作上。據(jù)記載，古埃及人用浸涂上瀝青的亞麻布條包封木乃伊，由于瀝青中含有不飽和化合物，置于陽(yáng)光下便可以固化。我國(guó)民間使用桐油浸涂木制器具并置于太陽(yáng)光下固化，也能在木器表面形成防水防漏的耐磨保護(hù)層，實(shí)際上這也是光固化技術(shù)的應(yīng)用。在20世紀(jì)40年代，第一個(gè)被授權(quán)的紫外光固化涂料專利是由不飽和聚酯和苯乙烯組成。1968年，德國(guó)的一家公司首先利用不飽和樹脂與安息香醚的紫外光固化系統(tǒng)制成了商品化的產(chǎn)品，開發(fā)了第一代紫外光固化涂料。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)的兩家化學(xué)公司先后研制出紫外光固化油墨。隨后他們很快開發(fā)了丙烯酸系光固化涂料，在美國(guó)形成了光固化涂料的熱潮，僅1972年一年內(nèi)就裝配了16條大型流水線，線速度達(dá)120米／分鐘，在涂料干燥史上創(chuàng)造了前所未有的高速度，引起了涂料界的極大關(guān)注。這被稱為第二代光固化涂料。

樹脂是生產(chǎn)塑料制品的一種原材料，種類很多，包括天然樹脂和人造樹脂。如果限制在對(duì)紫外光敏感的樹脂（光敏樹脂），樹脂的選擇性就不多了。光敏樹脂材料適用于光聚合成型3D打印技術(shù)，我們可以稱之為樹脂3d打印，主要包括光固化成型（SLA）、數(shù)字光處理（DLP）、聚合物噴射（PolyJet），以及新興的連續(xù)液界制造技術(shù)（CLIP）、雙光子3D打印（TPP）。

光敏樹脂也稱為UV樹脂，是一種具有多方面優(yōu)越性的特殊樹脂，由光敏預(yù)聚體、活性稀釋劑和光敏劑組成。光敏樹脂一般為液態(tài)，它在一定波長(zhǎng)的紫外光（250 nm～400 nm）照射下立刻引起聚合反應(yīng)，完成固化。光敏樹脂用途非常廣泛，可用于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料，具有節(jié)約能源、污染小、固化速度快、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。

合格的適用于3D打印的光敏樹脂需要滿足以下幾點(diǎn)要求。

1．對(duì)特定波長(zhǎng)光源的高敏感性。3D打印大多使用特定波長(zhǎng)的光源作為引發(fā)反應(yīng)的光源，這就需要光敏樹脂材料對(duì)光源具有高敏感性。

2．合適的光固化速度。3D打印光敏樹脂必須要有高的固化速度，以確保下一層樹脂和上層樹脂能夠快速實(shí)現(xiàn)固化，但也不能固化速度過(guò)快。作為黏結(jié)劑使用的光敏樹脂必須保證固化速度低于樹脂滲透速度，以避免樹脂尚未滲透到位就被固化而導(dǎo)致樹脂無(wú)法繼續(xù)流動(dòng)，造成黏結(jié)性能欠佳。

目前常見的光敏樹脂分為兩大類，丙烯酸酯類和環(huán)氧樹脂類。

1 環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin，簡(jiǎn)稱EP）是3D打印最常見的一種光敏樹脂。1930年，環(huán)氧樹脂首先由瑞士的Pierre Castan和美國(guó)的S．Q． Greenlee合成，屬于熱固性塑料。我國(guó)自1958年開始對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行研究，并以很快的速度投入工業(yè)生產(chǎn)，這些樹脂可廣泛應(yīng)用于國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門，作澆注、浸漬、層壓料、粘結(jié)劑、涂料等用途。

環(huán)氧樹脂作為3D打印的材料，可利用納米粘土薄片來(lái)增強(qiáng)黏性，此外還有碳化硅和碳纖維作為填充物。通過(guò)改變這些填充物的組合，科學(xué)家可以自由控制材料的強(qiáng)度來(lái)滿足各種需求。這個(gè)新材料可以用來(lái)制造更輕的汽車或飛機(jī)，或者作為建筑結(jié)構(gòu)件用在輕質(zhì)建筑中，可謂是一種十分理想的材料。

環(huán)氧樹脂加約1％體積的碳纖維復(fù)合材料3D打印蜂窩結(jié)構(gòu)

環(huán)氧樹脂在3D打印中的另一個(gè)重要用途就是作為黏結(jié)劑使用。環(huán)氧樹脂與無(wú)機(jī)、金屬粉末材料有良好的相容性，能夠迅速浸潤(rùn)無(wú)機(jī)或金屬粉末表面。環(huán)氧樹脂作為光敏涂料在人們?nèi)粘Ｉ钪幸训玫搅藦V泛的研究和應(yīng)用，產(chǎn)品種類繁多，適用面廣，在不同體系中均可找到相對(duì)應(yīng)的環(huán)氧樹脂光敏材料使用。

設(shè)計(jì)公司Kol／Mac利用環(huán)氧樹脂打印的“樹根座椅”，耗時(shí)一個(gè)半月（圖片來(lái)源：IT時(shí)報(bào)）

環(huán)氧樹脂材料打印的模型（圖片來(lái)源：ejdyin．com）

2 丙烯酸酯

丙烯酸酯具有色淺、耐光耐熱、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，因此，用丙烯酸酯制造的涂料，用途廣泛、種類繁多。3D打印技術(shù)在與丙烯酸酯單體聯(lián)用時(shí)，丙烯酸酯單體可與光引發(fā)劑混合，而光引發(fā)劑在紫外光區(qū)吸收一定波長(zhǎng)的能量，該引發(fā)劑產(chǎn)生自由基。自由基聚合反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)在于其反應(yīng)速度快，所需的固化時(shí)間較短。但是自由基聚合反應(yīng)受到氧氣的影響：自由基會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而被消耗，導(dǎo)致聚合反應(yīng)受阻。宏觀表現(xiàn)為，光敏樹脂固化后的表層沒(méi)有完全固化，手感粘黏。

此外，陶瓷和金屬也可作為打印材料。將陶瓷粉以1：1的比例與丙烯酸酯混合后，樹脂可起到黏合劑的作用。加入了陶瓷粉的樹脂會(huì)在一定程度上實(shí)現(xiàn)固化，其硬度正好足以保持實(shí)物的形狀。之后，再通過(guò)熔爐對(duì)加入了陶瓷粉的成品進(jìn)行燒制，以除掉其中的聚合物，并將陶瓷成分黏合到一起，使最終成品中的陶瓷含量高達(dá)99％。這種方法也同樣適用于含有金屬粉的丙烯酸酯類樹脂。

用丙烯酸酯材料制作的3D打印物品

利用丙烯酸酯打印的城市模型（圖片來(lái)源：Shapeways）

Somos 19120是一種鑄造專用材料，成型后可用于蠟?zāi)Ｔ?，擁有低留灰燼和高精度的特點(diǎn)。

利用丙烯酸酯打印的火車（圖片來(lái)源：Shapeways）

世界首例丙烯酸3D打印椎骨植入物，用來(lái)替換第五節(jié)椎骨（圖片來(lái)源：3ders．com）

利用丙烯酸酯打印的透明制品（圖片來(lái)源：3ders．com）