3D打印光固化树脂解析

作为一种较早出现的3D打印技术，光固化3D打印以其打印样件精度高，表面光滑且材料利用率高的优点得到广泛认可，市场占有率越来越高。但目前由于材料种类和优异性能的稀缺，导致光固化型3D打印在各行业应用的局限性。

光敏树脂是最早应用于3D打印的材料之一，适用于光固化成形的主要成分是能发生聚合反应的小分子树脂(预聚体、单体)，其中添加有光引发剂、消泡剂、流平剂等助剂，能够在特定的光照(一般为紫外光)下发生聚合反应实现固化。

3D打印用的光敏树脂有以下几点要求：

光敏树脂常见的制备步骤为：按照质量配比称取各组分后分别加入搅拌器中，将搅拌器中的物料进行混合搅拌，根据需要进行同步加热，混合均匀后及得到光敏树脂浆料，根据需要进行过筛、消泡等后续操作。

光敏树脂制备流程

下文介绍了3D打印用光敏树脂制备过程几种主要的原料和助剂，仅供信息参考。

1. 单体原料

单体是光敏树脂的主要组成部分，具有调节体系黏度的作用，还参与了光固化反应过程，影响光敏树脂的光固化速率、光固化强度和光固化精度，进而影响光敏树脂基浆料的流变性能和光固化性能。

不同官能团和官能度的单体，由于分子量、分子结构和官能团的不同，其流变性能和光固化性能不同。要制备出兼具优异流变性能和光固化性能的光敏树脂，一般需采用两种或两种以上的单体。目前，常见的树脂单体种类及其优缺点如下所示：

目前，常见的树脂单体有单官能团单体，如甲基丙烯酸甲酯（MMA）等；双官能团单体，如二甲基丙烯酸乙二醇酯（EGDMA）等；多官能团单体，如三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）等，这类单体黏度较大，但光固化反应活性更高，光固化速率更快。

树脂原料一般为高分子量的低聚物，如聚氨酯丙烯酸酯中的一种或若干种的混合物。树脂原料在光固化过程中可以降低固化收缩率，提高成型件的尺寸精度和减少内应力，通常具有较低的反应官能团含量，有助于减少固化过程中的体积收缩。

常见的树脂原料有聚氨酯丙烯酸酯、氰酸酯树脂、环氧树脂等，其优缺点对比可见下表。

常见树脂原料优缺点对比

作为固化后的主体材料，树脂原料直接决定成品的机械强度、柔韧性、耐磨性和耐疲劳性，根据不同的树脂原料可以制备不同性能的光敏树脂，如PUA可用于制备柔性树脂，CE可用于制备耐高温树脂等。

光引发剂是光固化3D打印技术的核心组分，其作用主要包括以下方面：

引发光聚合反应：光引发剂通过吸收特定波长的光能（如紫外光或近红外光），分解产生活性自由基或阳离子，触发树脂中单体和预聚物的聚合反应，形成交联网络结构。
控制固化速率与精度：光引发剂的光敏性和光吸收效率直接影响固化速度。高效的引发剂（如BAPO）可缩短曝光时间，提升打印效率；同时，通过调节引发剂浓度和光强，可精确控制固化区域，实现高分辨率打印。
适应复杂材料体系：不同光引发剂适用于特定树脂体系。如自由基型引发剂（如TPO）适合丙烯酸酯体系，而阳离子型引发剂（如硫鎓盐）则适配环氧树脂体系。
降低收缩与内应力：引发剂的引发效率和聚合程度影响树脂固化收缩率。低收缩光引发体系（如BAPO与低官能度单体配合）可减少层间应力，避免打印件翘曲或开裂。

苯基氧化膦（BAPO）是一种典型的自由基型光引发剂。其作用机制是通过吸收紫外光（300-400 nm）后发生均裂，产生活性自由基，从而引发丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯等单体的自由基聚合反应。

BAPO光裂解过程

BAPO的分解产物无残留发色基团，可避免打印件长期光照后黄变，适合透明或浅色材料，且其与低官能度单体配合时，可减少固化收缩，降低层间应力，防止打印件翘曲开裂。

在进行光固化树脂的制备过程中，空气会被搅拌进树脂中从而形成气泡，气泡会对材料造成一定的影响，因此需要消泡剂减少或消除材料中的气泡。

常见的消泡剂有BYK 055、Airex 986、Foamex 810、BYK 067A等，其中BYK 067A常与聚氨酯丙烯酸酯低聚物、活性稀释剂（如TPGDA）配合使用，添加极少量即可显著减少固化后涂层的针孔和橘皮现象。

BYK-067A是一种含氟改性有机硅乳液，一种专为溶剂型和无溶剂体系设计的有机硅类高效消泡剂，尤其适用于高固体份、无芳烃以及紫外光固化（UV）体系。

来源：塑成科技、综合整理

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