UV 3D打印:光固化技术的创新应用


光固化3D打印,一种前沿的制造技术,以其高精度和高效率的特性,成为引领制造业的重要力量。光固化3D打印的基本原理是利用液态光敏材料,在特定光源的照射下,通过光聚合过程逐层固化,从而构建出三维实体模型。这种技术精度高、效率高,可以制造出复杂且精细的零部件和模型,为众多行业带来了前所未有的创新机会。

一、工作原理

光固化3D打印是一种利用紫外线和光固化树脂来制造3D打印模型的技术。它采用的是逐层固化的方式,首先通过相应的软件设计出三维模型,配合3D打印机,利用电脑程序设计光源的扫射路径,程序按设计好的扫射路径,把光源照射在液态光敏树脂特定的区域上,使其表面树脂固化成薄薄的一层固体,然后平台上升或下降一定的距离,在上一层已经固化树脂的基础上再进行下一层的固化,这样一层一层地堆叠,最终形成一个完整的3D打印模型。

二、材料的组成及作用

目前,光固化3D打印已经过技术改良,推出了以光敏树脂作为成型材料,以蜡作为支撑材料的组合,使3D打印的成品能够呈现更好的效果。

1、成型材料

光固化3D打印用的光敏树脂,主要由低聚物、活性单体、光引发剂三种主要成分及少量其它助剂组成。它在紫外光照的条件下可发生聚合反应,短时间内固化成型,形成硬度高、光泽度好的成品,且基本无溶剂挥发。

其中,低聚物(齐聚物),是一种含有不饱和官能团的低分子聚合物,它是光敏树脂的配方中用量最大且最为基础的组分,它决定了光敏树脂的加工性能以及光固化制品的基本性能,如黏度、硬度和断裂伸长率等。因此,在光敏树脂的配方体系中,十分重要的一步就是选择合适的低聚物。

光敏树脂的种类多样,可以满足不同领域的需求。例如,通用树脂适用于多种应用场合,而韧性树脂则具有更高的柔韧性和抗冲击性,适用于制造需要承受一定外力的部件。此外,还有耐高温树脂等特殊类型,用于制造需要在高温环境下工作的部件。

2、支撑材料

支撑材料的主要作用是用来填补制品的空洞或悬空部位,起到支撑的作用。由于3D打印过程中,一些零件因为其形状问题或结构复杂性会有空洞和悬空的部分,这些部分在打印过程中其性状未完全稳定,从而可能导致变形,影响产品的形状。因此,这些部分需要被支撑材料填埋,用来保持其形状和稳定性,以确保打印过程的顺利进行和产品的精度。

支撑材料主要可以分为蜡质、相变和光固化三种,可以根据具体的应用场景和需求进行选择。

三、3D打印机的类型

光固化3D打印技术按照其曝光方式可以分为上曝光和下曝光两大类型。也可叫作上拉式和下沉式,上曝光为下沉式,下曝光为上拉式。

1、下沉式

在下沉式光固化3D打印系统中,树脂盛放槽内盛放液态光敏树脂,紫外光从液体的上方,在电脑设备的控制下按的各分层的信息在光敏树脂表面扫射或整面曝光,被照射的树脂发生光聚合反应而产生特定区域的固化,形成一个薄层。当一层固化完成后,工作台精准的下移一段固定的距离,使其在固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,再通过刮板将树脂液面平整,然后进行下一层的照射固化,新固化的薄层会牢固地与前一层粘结,如此反复直到整个零件制造完成。

2、上拉式

在上拉式光固化3D打印系统中,树脂盛放槽内盛放液态光敏树脂,液槽的底面为高透过率光学玻璃,紫外光在液体的下方,透过底部透明玻璃照射在底面的树脂上,使其特定区域固化,形成薄层。当一层固化后,工作台会上移一段固定的高度,同时带动已固化好的树脂薄层上移,平台移动后,新的液体树脂会自然流动填充移动所产生的间隙,然后进行下一层的固化,新固化的薄层会牢固地与前一层粘结,直至完成整个零件。

四、打印方式的优缺点

1、下沉式

优点:

(1)制造精度高:下沉式光固化3D打印通常采用激光扫描或DLP投影技术,能够实现高精度的光敏树脂固化。制造出具有复杂结构和精细细节的模型,满足高精度制造的需求。

(2)品质优良:由于下沉式打印是非接触式的,下沉式光固化3D打印的模型表面通常更加光滑、细腻,打印的产品基本无变形、缺陷等情况。

缺点:

(1)成本高:由于是下沉式打印,液槽要保证整个成品的大小都能浸泡在槽内,槽体较大较深,需要盛放大量的树脂材料,成本高昂。

(2)打印时间长:下沉式光固化3D打印通常需要较长的打印时间,尤其是在建造陡坡和悬挑等结构时,可能需要额外的支撑结构,进一步延长了打印时间。

2、上拉式

优点:

(1)操作简便:上拉式打印机的技术门槛较低,用户无需复杂的培训就能快速上手,是个人消费者和初创企业的优先选择的。

(2)适用性强:由于上拉式打印机通常具有较大的打印空间,能够容纳更大尺寸的模型,因此适用于多种应用场景。

缺点:

(1)支撑结构复杂:由于上拉式打印过程中,模型受到平台向上的拉力和模型自身的重力,支撑结构必须足够坚韧或粗壮,增加了支撑设计和后处理工作的难度。

(2)打印精度受限:模型在上拉过程中受力的影响,导致表面易出现瑕疵或整体出现变形,影响打印精度和美观度。

上拉式和下沉式光固化3D打印各有其优缺点。在选择时,用户需要根据自己的需求、预算和使用场景进行选择。对于个人消费者和小型企业来说,上拉式打印机可能是一个更经济、更便捷的选择;而对于需要高精度打印和大批量生产的大型企业来说,下沉式打印机可能更为合适。

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