北理工在含能材料光固化3D打印基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

來源：北京理工大學(xué)

近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院夏敏教授,、羅運軍教授課題組在含能材料相關(guān)光固化3D打印工藝控制研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)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(lǐng)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(xué)材料學(xué)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(jié)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(shù)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(dá)到H ,。此過程中,，打印成功與否的關(guān)鍵在于成型臺升起高度H與曝光時間的匹配度。只有在設(shè)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(yù)測固化厚度的方法對于DLP工藝的精細(xì)調(diào)控具有重要意義,。

基于這一需求,，課題組人員設(shè)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(jìn)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(guān)系,，最后與所推導(dǎo)的公式相印證并計算各參數(shù)值，得到可預(yù)測光固化樹脂固化厚度的數(shù)學(xué)模型,，為含能材料3D打印的工藝調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

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(guān)系分析（b）,；模型結(jié)論（c）

結(jié)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(guān)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(yīng)初期，引發(fā)劑與反應(yīng)基團(tuán)的濃度可被視為常數(shù),，Tc與1/I00.5和1/[1]0.5呈線性關(guān)系,，實驗結(jié)果如圖2a、b,、c所示,，這與模型所預(yù)測的一致。

圖2 特征穿透深度ha與引發(fā)劑濃度[1]的關(guān)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(jié)果表明，光固化樹脂的固化厚度與曝光時間之間的關(guān)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(guān)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(guān)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,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102716