快速成型第3章快速成型材料及设备

第3章快速成型材料及设备3．1快速成型材料快速成型材料一直是快速成型技术研究与开发的重要任务之一，每一种快速成型制造工艺的推出和成熟都与材料研究与开发密切相关。一种新的快速成型材料的出现往往会使快速成型工艺及设备结构、成型件品质和成型效益发生巨大的进步。快速成型材料根据原型建造原理、技术和方法的不同分为薄层材料、液态材料、粉状材料、丝材等。不同的成型制造方法对应的成型材料的性状是不同的，不同的成型制造方法对成型材料性能的要求也是不同的。在快速成型技术推出初期，一般都是快速成型设备的制造商在从事所需求的材料的研究。但随着快速成型技术的发展和推广，许多材料专业公司也加入到快速成型材料的研发中，成型材料正向高性能、系列化的方向发展。快速成型材料一般根据成型工艺方法来分类，分为光固化成型材料、粉末烧结材料、熔融沉积丝材及叠层实体薄层材料等。根据目前较为常用的快速成型用的材料来看，一般根据材料的性状分类比较清晰，分为液态材料、薄层材料、粉末材料、丝状材料等。常见的快速成型材料分类见表3－1。快速成型材料及其性能不仅影响着所制作原型的性能及精度，而且也影响着与成型工艺相关联的建造过程。快速成型工艺对成型材料性能的总体要求有如下几个方面：1）适应逐层累加方式的快速成型建造模式。2）在各种快速成型建造方式下，能快速实现层内建造及层间连接。3）制作的原型具有一定的尺寸精度和尺寸稳定性。4）确保原型具有一定的力学性能及性能稳定性。5）无毒无污染。3．1．1光固化快速成型材料用于光固化快速成型的材料为液态光固化树脂，或称液态光敏树脂。随着光固化成型技术的不断发展，具有独特性能的光固化树脂（如收缩率小甚至无收缩，变形小，不用二次固化，强度高等）也不断地被开发出来。1．光固化成型材料分类光固化材料是一种既古老又崭新的材料，与一般固化材料比较，光固化材料具有下列优点。1）固化快。可在几秒钟内固化，可应用于要求立刻固化的场合。2）不需要加热。这一点对于某些不能耐热的塑料，光学、电子零件来说十分有用。3）可配成无溶剂产品。使用溶剂会涉及许多环境问题和审批手续问题，因此每个工业部门都力图减少使用溶剂。4）节省能量。各种光源的效率都高于烘箱。5）可使用单组分，无配置问题，使用周期长。6）可以实现自动化操作及固化，提高生产的自动化程度，从而提高生产效率和经济效益。光固化树脂材料中主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。根据光引发剂的引发机理，光固化树脂可以分为三类：自由基光固化树脂、阳离子光固化树脂和混杂型光固化树脂。自由基光固化树脂主要有三类：第一类为环氧树脂丙烯酸酯，该类材料聚合快、原型强度高，但脆性大且易泛黄；第二类为聚酯丙烯酸酯，该类材料流平性和固化好，性能可调节；第三类材料为聚氨酯丙烯酸酯，该类材料生成的原型柔顺性和耐磨性好，但聚合速度慢。稀释剂包括多官能度单体与单官能度单体两类。此外，常规的添加剂还有阻聚剂、UV稳定剂、消泡剂、流平剂、光敏剂、天然色素等。其中的阻聚剂特别重要，因为它可以保证液态树脂在容器中保持较长的存放时间。阳离子光固化树脂的主要成分为环氧化合物。用于光固化工艺的阳离子型齐聚物和活性稀释剂通常为环氧树脂和乙烯基醚。环氧树脂是最常用的阳离子型齐聚物，其优点如下：1）固化收缩小，预聚物环氧树脂的固化收缩率为2％～3％，而自由基光固化树脂的预聚物丙烯酸酯的固化收缩率为5％～7％。2）产品精度高。3）阳离子聚合物是活性聚合，在光熄灭后可继续引发聚合。4）氧气对自由基聚合有阻聚作用，而对阳离子树脂则无影响。5）粘度低。6）生坯件强度高。7）产品可以直接用于注塑模具。混杂型光固化树脂比起自由基光固化树脂和阳离子光固化树脂，具有许多份点，目前的趋势是使用混杂型光固化树脂。其优点主要有：1）环状聚合物进行阳离子开环聚合时，体积收缩很小甚至产生膨胀，而E由基体系总有明显的收缩。混杂型体系可以设计成无收缩的聚合物。2）当系统中有碱性杂质时，阳离子聚合的诱导期较长，而自由基聚合的曾导期较短，混杂型体系可以提供诱导期短而聚合速度稳定的聚合系统。3）在光照消失后阳离子仍可引发聚合，故混杂体系能克服光照消失后自d基迅速失活而使聚合终结的缺点。2．光敏树脂的组成及其光固化特性分析（1）光敏树脂的组成。光敏树脂主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有百以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，相对立子质量上升极快，很快就可成为固体。齐聚物决定了光敏树脂的基本物理化学伯能，如液态树脂的粘度、固化后的强度、硬度、固化收缩率、溶胀性等。齐聚增的种类繁多，性能也相差很大，其中应用较多的有：环氧丙烯酸酯、聚氨酯雨蟀酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酸酯、不饱和聚酯、多烯／硫醇体系、水性丙烯酸酯、乙烯基醚类等。光引发剂是激发光敏树脂交俄反应的特殊基团，当受到特定波长的光子作月时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚合物，使其产生乡联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而呈现为固态。光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。目前的光引发剂基本上为紫外光区的，按引发机理可将光引发剂分为自由基型和阳离子型两类。自由基型的有安后香类、苯乙酮类、硫杂念酮类、香豆酮类、苯甲酮类等；阳离子型的有芳香重蒙盐类、芳茂铁盐类和翁盐等。稀释剂是一种功能性单体，结构中含有不饱和双键，如乙烯基、丙烯基等可以调节齐聚物的粘度，但不容易挥发，且可以参加聚合。稀释剂一般分为单育能度、双它能度和多官能度。官能度越大，固化速率越快，多官能度的活性单伺易形成交联网络。由于快速成型工艺要求光敏树脂具有很快的固化速率，因而应用于该类树脂中的稀释剂常为活性很高的稀释剂，如N一乙烯基毗咯烧酮、三￥甲基丙烷三丙烯酸酯、脂肪烃缩水甘油醚丙烯酸酯等。当光敏树脂中的光引发剂被光源（特定波长的紫外光或激光）照射吸收能量时，会产生自由基或阳离子，自由基或阳离子使单体和活性齐聚物活化，从而发生交联反应而生成高分子固化物。由于齐聚物和稀释剂的分子上一般都含有两个以上可以聚合的双键或环氧基团，因此聚合得到的不是线性聚合物，而是一种交联的体形结构，其过程可以表示为（2）光敏树脂的光固化特性分析。在激光照射下，光敏树脂从液态向固态转变，达到一种凝胶态。凝胶态是一种液态和固态之间的；临界状态，此时，粘度无限大，模量（Y）为零。激光的曝光量（E）必须超过一定的阈值（兄），当曝光量低于EC时，由于氧的阻聚作用，光引发剂与空气中的氧发生作用，而不与单体作用，液态树脂就无法固化。当曝光量超过阈值后，树脂的模量按负指数规律向该树脂的极限模量逼近，模量与曝光量的关系为：式中β一树脂的模量一曝光量常数；Ymax——树脂的极限模量；Ec——树脂的临界曝光量；Kp——比例常数。激光快速成型系统中所用的光源为激光。激光是一种单色光．旦右自一的。长，因此，式（3－1）中的EC和产均为常数。液态光敏树脂对激光的吸收一般符合fleer－l。ambert规则，即激光的能量没照射深度成负指数衰减，如图3－l所示。假设有均匀面光源垂直投射到液态树脂的表面，则有式中Dp——透射深度，它是紫外激光能量密度衰减为人射能量密度民的1／e的深度；E0——树脂液面上的能量密度；E(z）——树脂液面下Z深度处的能量密度透射深度是光敏树脂的固定参数，表征对激光吸收性能的强弱，D。越小，表示树脂对激光的吸收越强。曝光固化临界方程如下：由此得到树脂的固化深度为：3．光固化成型材料介绍光固化成型材料根据工艺和原型使用要求，要求具有粘度低、流平快、固化速度快、固化收缩小、溶胀小、毒性小等性能特点。下面分别介绍Vantico公司、3DSystems公司以及DSM公司的光固化快速成型材料的性能、适用场合以及选择方案等。(1）Vantico公司的SLA系列。Vantico公司针对SLA快速成型工艺提供了SLA系列光固化树脂材料，其中SL－5195环氧树脂具有较低的粘性，较好的强度、精度，并能得到光滑的表面效果，适合于可视化模型、装配检验模型、功能模型的制造、熔模铸造模型制造以及快速模具的母模制造等。SL5510材料是一种多用途、精确的、’尺寸稳定、高产的材料，可以满足多种生产要求，并由SL5510制定了原型精度的工业标准，适合于在较高湿度条件下应用，如复杂型腔实体的流体研究等。SL7510制作的原型具有较好的侧面质量，成型效率高，适于熔模铸造、硅橡胶模的母模以及功能模型等。SL7540制作的原型的性能类似于聚丙烯，具有较高的耐久性，侧壁质量好，可以较好地制作精细结构，较适于功能模型的断裂试验等。SL7560的性能类似于ABS材料。SL5530HT是一种在高温条件下仍具有较好抗力的一种特殊材料，使用温度可以超过200℃，适合于零件的检测、热流体流动可视化、照明器材检测、热熔工具以及飞行器高温成型等方面。SLYC9300可以实现有选择性的区域着色，可生成无菌原型，适用于医学领域以及原型内部可视化的应用场合。表3－2给出了Vantico公司提供的光固化树脂在各种3DSystems公司光固化快速成型制造系统和原型不同的使用性能和要求情况下的光固化成型材料的选择方案。表3-3给出了SLA5000系统使用的几种材料的性能指标。（2）3DSystems公司的ACCURA系列。3DSystems公司的ACCURA系列光固化成型材料主要有用于SLAVIPersi2、SLA3500、SLA5000和SLA7000系统的ACCUGENTM、ACCUDURTTM、Silo、SI25、SI40Nd系列型号和用于SLA250、SLA500系统的SI40HC＆AR型号等。新近推出的型号有ACCURA50、ACCURA55、ACCURA60及ACCURABLUESTONE等。ACCUGENTM材料光固化后的原型具有精度、强度和耐湿性等综合最优性能。ACCUDURTM材料的构建速度快且原型的稳定性好。Silo材料固化后的原型强度和耐湿性好，原型的精度和质量好。SI20材料光固化后呈持久的白色，具有较好的强度和耐湿性，以及较快的构建速度，适用于较精密的原型、硅橡胶真空注型的母模等。SI40系列材料光固化后的原型具有耐高温性能，高温下性能较好。SI45HC材料固化速度快，作为功能模型具有较好的耐热、防湿性能，用于SLA250光固化成型系统。BLUESTONE树脂材料固化的原型具有较高的刚度和耐热性，适合于空气动力学试验、照明设备等方面的应用，及用于真空注型或热成型模具的母模等。部分3DSystems公司的ACCURA系列材料的性能见表3－4。（3）DSM公司的SOMOS系列。美国DSM公司开发的面向光固化快速原型制作的SOMOS材料的物理和力学特性以及适用场会见表3-5。3．1．2叠层实体快速成型材料叠层实体快速成型工艺中的成型材料涉及到三个方面的问题，即薄层材料、粘结剂和涂布工艺。薄层材料可分为纸、塑料薄膜、金属箔等。目前的LOM成型材料中的薄层材料多为纸材，而粘结剂一般为热熔胶。纸材料的选取、热熔胶的配置及涂布工艺均要从保证最终成型零件的质量出发，同时要考虑成本。对于LOM纸材的性能，要求厚度均匀、具有足够的抗拉强度以及粘结剂有较好的湿润性、涂控性和粘接性等。下面就纸的性能、热熔胶的要求及除市工艺进行简要的介绍。1．纸的性能对于LOM成型材料的纸材，有以下要求：1）抗湿性。保证纸原料（卷轴纸）不会因时间长而吸水，从而保证热压过程中不会因水分的损失而产生变形及粘接不牢。纸的施胶度可用来表示纸张抗水能力的大小。2）良好的浸润性。保证良好的涂胶性能。3）抗拉强度。保证在加工过程中不被拉断。4）收缩率小。保证热压过程中不会团部分水分损失而导致变形，可用纸的伸缩率参数计量。5）剥离性能好。因剥离时破坏发生在纸张内，要求纸的垂直方向抗拉强度不是很大。6）易打磨，表面光滑。7）稳定性。成型零件可长时间保存。2．热熔胶叠层实体制造中的成型材料多为涂有热熔胶的纸材，层与居之间的粘接是靠热熔腔保证的。热熔胶的种类很多，其中EVA型热熔胶的需