區別的3D打印光敏樹脂，在同一3D打印機下進行光固化，其固化性能有所差異。本文采用臨界揭發量和固化深度2個特性參數來表征光固化樹脂的光敏性，探討了臨界揭發量和固化深度之間的數學關系，科研了臨界揭發量和固化深度的測定辦法，測定了光強和樹脂的顏色對樹脂固化的影響。在必定要求下，固化深度一般隨光照強度的增加而增多，臨界揭發量亦隨光照強度的增多而增多；淺色比深色樹脂固化深度高，且所需臨界揭發量更高。同期，固化深度隨著光誘發劑的濃度增多而降低；臨界揭發量隨著光誘發劑濃度的增多先降低，后趨于平緩。

固化成型類3D打印技術是一種利用光敏樹脂材料在光照下固化成型的3D打印技術的統叫作，光固化材料的獨特優良是它基本不含揮發性溶劑，因此呢不會對環境導致污染，同期亦減少了對人體的害處及火災的危險性。整體而言，3D打印直接應用于制造行業不僅便宜，亦更環保。與傳統工藝的耗能相比，3D打印能減少41%~64%的能耗，同期還能夠節省原材料的運用。另外，3D打印能有效地減少制作過程中所產生的垃圾和二氧化碳，有利于降低溫室氣體的排放。

1986年，Charles Hull率先推出光固化辦法（stereo lithography apparatus，SLA），這是3D打印技術發展的一個里程碑。同年，他創立了世界上第1家3D打印設備的3D Systems機構。從全世界3D打印狀況來看，近年來，隨著工業級3D打印機的應用場景持續擴寬，其在工業行業所發揮的功效亦日益重要，許多企業為提高制品制造的效率和質量，都起始購買工業級3D打印機，這使工業級3D打印機的用戶群體持續擴大，市場份額持續提高。中國積極探索3D打印技術的開發，自20世紀90年代初敗興，清華大學、西安交通大學、華中科技大學、華南理工大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校，在3D打印設備制造技術、3D打印材料技術、3D設計與成型軟件研發、3D打印工業應用科研等方面，開展了積極的探索，已有部分技術處在世界先進水平。

3D打印技術的工作原理是基于液態光敏樹脂的光聚合。這種液態材料在必定波長和強度的紫外光（如λ=405nm）的照射下能快速出現光聚合反應，分子量急劇增大，材料亦就從液態轉變成固態。面成形是經過某種辦法得到全部二維層面圖形的掩膜后，用紫外光經過掩膜對液態樹脂表面照射，一次成形全部層面。所有用于3D打印的樹脂均為光固化材料，這寓意著它們對光（擁有正確波長）有反應。這種反應性掌控著樹脂在特定波長下的行徑。關于其反應性的參數是臨界能量（）和固化深度（），對光的反應性則是經過用區別劑量的能量揭發樹脂來測繪的。在大都數狀況下，其是經過增多3D打印機的揭發時間來掌控的。固化深度是評定黏合劑固化性能時需要思慮的重要性能指標，亦是實質運用時的重要指點。影響固化深度的參數包含光強、光的類型、材質的不透明度和顏色、光誘發劑類型等。

實驗部分

01光敏樹脂與3D打印設備

光敏樹脂由實驗室制備，重點由丙烯酸樹脂預聚物、單體稀釋劑、光誘發劑等制備而成，屬于自由基體系；3D打印設備為黑格科技3D光固化打印機，波長405nm；光強計型號為ST-86LB（北京師范大學）；測厚儀為AICEY I0-12.7-25.4-50mm。

02紫外光固化方程

液態光敏樹脂對紫外光的吸收一般遵循Beer-Lambert定理，紫外激光照射到光敏樹脂液面上亦符合Beer-Lambert定理，即紫外激光的能量沿照射深度呈負指數衰減，即

式中，E為紫外光入射能量密度；Z為深度，E（z）為透過到Z深度的激光能量密度；為固化深度，是光敏樹脂固有參數，暗示對紫外激光吸收性能的強弱，越小，顯示樹脂對紫外激光吸收越強。

臨界能量（）是形成固體層所需的最小能量值，因此呢是3D打印所需的最小能量值。當液態光敏樹脂接受的紫外光的揭發量（E）超過必定的閾值即臨界揭發量后，即當

光敏樹脂會出現相變，從液態變為固態，此時，

則固化深度可進一步暗示為

式（4）是紫外照射光敏樹脂的光固化方程。

從固化深度表達式（4）可知，倘若以lnE為橫坐標，為縱坐標，可知lnE和呈線性關系，直線的斜率為，直線與lnE軸的交點為。只要測得一系列的固化深度和揭發量，就可求得值，如圖1所示。

03測繪辦法

光強暗示在指定的波長范圍內單位面積內得到UV光能量的多少。UV光強說明了光子的流量，計量單位為W/或mW/。經過掌控光強揭發樹脂來測繪光的反應性，在大都數狀況下，能夠經過增多3D打印機的揭發時間來掌控光能量。首要將6.5cm×6.5cm透明膜貼于3D打印機屏幕上，平鋪適量樹脂；而后將測繪區域分為9個部分，分別掌控揭發時間，就可得到區別厚度固化模片，如圖2所示。

測厚儀測定固化樹脂的層厚并繪制與相應能量輸入的關系為

式中，I為光強，單位為mW/，t為揭發時間，單位為s。結合公式（4）計算得到和值。

結果與討論

01光強對和的影響

在波長405nm的黑格3D打印機上以區別的時間/功率揭發同一配方白色樹脂。將光強設置為2.58mW/，對樹脂進行固化。經過測厚儀測定固化模片厚度，測得一系列固化深度和相應的入射揭發量，如表1所示。

表1 2.58mW/光強下能量和固化深度的關系

按照表1數據，結合式（4），可繪制固化深度和揭發量lnE關系圖，如圖3所示。

由于和揭發量lnE呈線性關系，可求出擬合直線的斜率，從而得到=0.29mm，=6.50J/。

依據以上一樣辦法，能夠分別測得光強為0.67mW/、1.46mW/時，樹脂的固化深度分別為0.20mm、0.11mm，臨界揭發量分別為2.03J/、3.88J/，如圖4所示。

能夠看出，隨著光強從0.67mW/、1.46mW/增多到2.58mW/，固化深度從0.11mm、0.20mm增多到0.29mm，臨界揭發量從2.03J/、3.88J/提升到6.50J/。這再次證明，在必定要求下，固化深度一般隨光照強度的增多而增多，臨界揭發量亦隨光照強度增多而增多。

表示了材料對光輸出變化的敏銳性，這寓意著較低的材料在揭發時間/光源功率變化時擁有更好的性能；而較高的材料，更可能是一種更快的打印材料，但對光輸出偏差的故障亦更敏銳。在能量偏低的要求下，有可能沒法固化成型，這是由于UV固化膠在較低的輻射能量下，光誘發劑分子的激發程度不足，沒法誘發充分的交聯反應。雖然在3D打印行業，速度快的樹脂更受歡迎，但敏銳性較低的樹脂在實踐中更有用。因此呢，采用臨界揭發量和固化深度2個特性參數來表征光敏樹脂的光敏性，探討二者之間的關系以及科研臨界揭發量和固化深度的測定辦法，不僅能夠指點UV樹脂的配方設計，還能夠對打印模型的精度進行指點。

02顏色深淺對和的影響

如圖5所示，將光強設置為2.58mW/，根據以上測定辦法及計算辦法測定得出：橙色樹脂的=0.12mm，=4.30J/；白色樹脂的=0.29mm，=6.50J/。

如圖5所示，一樣的光強下，白色較橙色樹脂固化深度偏高非常多，且這種要求下所需臨界揭發量更高。區別的顏料對光的吸收、反射和散射的特性區別，因此呢對UV固化的阻礙程度亦區別，大都數顏料在部分UV光和可見光范圍內都有必定的可透射區，叫作為該顏料的“光譜窗口”。

針對含有白色顏料的樹脂，由于白色對所有可見光能全反射，因而固化時需要較高的能量，因此臨界揭發量較高；而橙色樹脂吸收光波長在480~490nm，故針對3D打印機405nm波長可見光吸收更加多，因此臨界揭發量較白色偏低。而白色樹脂固化深度較橙色樹脂高，這是因為區別顏色樹脂的光學性能差異很強，深色樹脂的吸收系數大于淺色樹脂，淺色樹脂反射光的能力要高于深色樹脂；可見光固化樹脂的固化受其顏色的影響，在相同深度處淺色樹脂的硬度要高于深色樹脂。由此可見，因為深色樹脂的透射系數低，有害于入射固化光線的穿透，因而固化深度較低，相對應淺色樹脂固化深度較高。

UV光線必須有足夠的強度才可穿透樹脂。倘若光強不足，3D打印時固化深度不可達到設置的層厚，樹脂得不到紫外光線照射，就沒法進行徹底固化，可能會導致打印失敗。因此呢，顏色選取針對3D打印樹脂開發至關重要。

03光誘發劑濃度對和的影響

將光強設置為2.58mW/，根據以上測定辦法以及計算辦法依次測定白色樹脂在光誘發劑819（誘發劑型號）質量濃度分別為0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%時的和。運用405nm的3D打印機固化樣品，固化時間是3s。圖6為0.5%~3%含量的誘發劑819固化深度和臨界揭發量示意圖，表示了固化深度和光誘發劑濃度的關聯性以及臨界揭發量和固化深度的關聯性。結果表示，固化深度隨著光引發劑濃度的增多而降低。隨著光誘發劑濃度的增多，固化速度加快，因為在樹脂表面所形成的聚合物凝膠引起了對光的阻擋，固化深度隨著光誘發劑濃度的增多而減少。臨界揭發量隨著光誘發劑濃度的增多先降低，而后趨于平緩。這重點是由于，隨著光誘發劑濃度的增多，可誘發自由基增多，較低能量就可增多誘發效率；必定光強可誘發的誘發劑數量有所限制，故隨著誘發劑濃度增多到必定程度，臨界揭發量再也不降低，而是趨于平緩。

結論

1）在必定要求下，固化深度一般隨光照強度的增多而增多，臨界揭發量亦隨光照強度的增多而增多。較低的材料在揭發時間/光源功率變化時擁有更好的性能；較高的材料更可能是一種更快的打印材料，但對光輸出偏差的故障亦更敏銳。

2）一樣光強，白色比橙色樹脂固化深度偏高非常多，且所需臨界揭發量更高。深色樹脂的透射系數低，有害于入射固化光線的穿透，固化深度較低，相對應淺色樹脂固化深度較高。這對3D打印選材供給了重要信息。

3）在必定要求下，固化深度和臨界揭發量均與光誘發劑濃度呈現必定關聯性。固化深度隨著光誘發劑的濃度增多而降低。臨界揭發量隨著光誘發劑濃度的增多先降低，后趨于平緩。這對3D打印樹脂開發誘發劑添加量供給了信息指點。

4）采用臨界揭發量和固化深度2個特性參數來表征光敏樹脂的光敏性，探討臨界揭發量和固化深度之間的數學關系，定量實驗測定了光強和樹脂的顏色對樹脂固化的影響，不僅能夠指點UV樹脂的配方設計，還能夠對打印模型的精度進行指點。

本文作者：陳靜、楊曉帥、張鵬飛、張愛平

作者簡介：陳靜，河南省能碳科研院有限機構，工程師，科研方向為低碳清潔能源等。

原文發布于《科技導報》2024年第4期，歡迎訂閱查看。