近日，北京理工大學材料學院夏敏教授、羅運軍教授課題組在含能材料相關光固化3D打印工藝控制研究領域取得重要進展，研究成果以“Model of UV-curing thickness for new thiol-ene resin for additive manufacturing of energetic materials”為題，發(fā)表在增材制造領域國際頂級期刊《Additive manufacturing》上（DOI：10.1016/j.addma.2022.102716）。論文第一作者為北京理工大學材料學院碩士研究生郭濤，夏敏教授、羅運軍教授等為共同通訊作者。
將光固化樹脂與含能固體組分相結合，通過樹脂的快速光固化定型，是實現(xiàn)含能材料增材制造的有效技術途徑。數(shù)字光處理（DLP）是一種高精度、高效率的增材制造方式，它通過將光固化樹脂逐層曝光固化實現(xiàn)成型在完成一層，每完成一層打印后，成型臺升起高度H ，來自數(shù)字光源的持續(xù)一段時間的紫外光照射在位于樹脂料盒底部和樣品之間的樹脂上，它從料盒底部開始固化，厚度逐漸增加直到達到H 。此過程中，打印成功與否的關鍵在于成型臺升起高度H與曝光時間的匹配度。只有在設定的曝光時間內(nèi)，樹脂的固化層厚度zp大于或等于H，打印才能完成，否則便會出現(xiàn)脫層的現(xiàn)象。而樹脂在面光源的照射下，固化厚度是隨時間呈非線性增長的，這一增長過程受到曝光條件以及樹脂組成的影響，找到一種可以描述這種過程并預測固化厚度的方法對于DLP工藝的精細調(diào)控具有重要意義。
基于這一需求，課題組人員設計建立了固化厚度的分析模型，然后對傳統(tǒng)含能材料粘合劑進行端基改性制備光固化粘合劑，并分析該粘合劑固化厚度與曝光時間之間的關系，最后與所推導的公式相印證并計算各參數(shù)值，得到可預測光固化樹脂固化厚度的數(shù)學模型，為含能材料3D打印的工藝調(diào)控奠定基礎。
圖1 樹脂的固化原理及厚度測試方法（a）；固化厚度-曝光時間關系分析（b）；模型結論（c）
結果表明：光固化樹脂在3D打印成型過程中，其固化厚度的時間變化規(guī)律取決于兩個關鍵參數(shù)：一是特征穿透深度ha，二是特征固化時間Tc，在聚合反應初期，引發(fā)劑與反應基團的濃度可被視為常數(shù)，Tc與1/I00.5和1/[1]0.5呈線性關系，實驗結果如圖2a、b、c所示，這與模型所預測的一致。
圖2 特征穿透深度ha與引發(fā)劑濃度[1]的關系（a）；特征固化時間與1/[1]0.5（b）以及1/I00.5（c）；模型與實驗所得固化厚度的對比（d）
理論模型與實驗研究結果表明，光固化樹脂的固化厚度與曝光時間之間的關系主要受到引發(fā)劑濃度和光強影響，特征穿透深度的倒數(shù)與引發(fā)劑濃度呈線性關系，特征固化時間與引發(fā)劑濃度和光強乘積平方根的倒數(shù)呈正比例關系；此外，高引發(fā)劑濃度會增加樹脂的吸光系數(shù)，在高層厚打印時會顯著增加固化時間；而過低的引發(fā)劑濃度則會使得樹脂內(nèi)光強分布梯度過于平緩，難以通過控制曝光時間來控制固化厚度。對于硫醇-烯基光固化樹脂體系，選取2wt%~3wt%的TPO濃度即可。
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