三维打印支撑材料及成形工艺的研究

摘要

三维打印（3DP）成形技术是快速成形技术研究的一种新技术，它把零件的三维数字模型先进行离散化，然后按照数字积分的思路进行逐层加工。利用这一技术可以在计算机控制下，迅速将CAD数字模型变为零件的物理模型。因此，三维打印技术具有成本低、周期短、修改简单、尺寸稳定等特点。
　　 光敏三维打印成形是根据微滴喷射技术，使用光敏聚合物材料成形制件（光敏聚合物材料由实体建模材料和支撑材料两部分组成），用紫外光进行固化的一种工艺。它将喷射成形和光固化成形的优点结合在一起，是所有三维打印方式中成形精度最高的一种，且成形速度快，大大提高了成形效率，具有很好的发展前景。对于结构比较复杂的零件，零件中常会有空洞和悬空部分，这时，需要用支撑材料进行填充，以支撑实体材料喷射出的液滴直至固化，辅助实体材料成形。当喷射过程完成后，支撑材料必需从模型零件中除去，同时不能损坏实体模型零件的表面精度。
　　 本文以根据温敏材料PEO-PPO-PEO(F127)与紫外光固化单体聚乙二醇400 二丙烯酸酯（SR344）间的协同效应，配合其它试剂，制备一种用于紫外光固三维打印成形的支撑材料。
　　 首先，本文研究了支撑材料预聚物喷射条件。分别讨论了预聚物中各组分对黏度、表面张力的影响，观测液滴喷射过程，分析了气泡对喷射过程的影响，并提出相关解决办法。同时分析了各种因素对支撑材料预聚物的pH 值、挥发率、电导率以及存储的影响。优化预聚物配方设计使之满足喷射条件，实验证实，当预聚物黏度在8～12cps，表面张力在24～40 mN/m，pH 值为7-9.5，预聚物中盐含量不能超过0.5%时，预聚物能够从喷孔喷出。
　　 然后，本文研究了光敏三维打印支撑材料凝胶固化机理，分析了支撑材料凝胶特性，凝胶过程热力学，光固化过程的自升温现象和固化过程中的协同效应，详细描述了光引发接枝聚合反应的过程，并对比固化物的红外谱图，结果证明光固化单体接枝到F127 上。同时，系统分析了预聚物中各组分和光固化工艺条件对预聚物喷射稳定性，以及预聚物固化速率的影响。优化预聚物配方的设计，为改善成形工艺和提高成形精度提供依据。
　　 最后，本文系统的分析了光敏三维打印支撑材料的性能，成形精度以及支撑材料的分离情况，详细讨论了预聚物配方中各组分和成型工艺条件对支撑材料的机械性能，吸水率，溶解度，收缩率的影响；并观察了不同组分和成型工艺条件下固化物喷射面的表面形貌；分别测量了支撑材料预聚物在实体材料和支撑材料固化物基材上的接触角，利用相关公式计算出预聚物在不同的基材上的铺展系数。最后利用扫描电镜观测了实体材料与支撑材料接触面的表面形貌，支撑材料与实体材料非常容易分离。