面曝光快速成形制件的拉伸強度

黃衛(wèi)明，胥光申，薄艷麗，巨孔亮，羅 聲

（1.西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.西安工程大學(xué) 人文社會科學(xué)學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

面曝光快速成形技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型快速成形技術(shù)，其原理是：零件的三維模型經(jīng)切層軟件切層后，將切層數(shù)據(jù)存儲為能夠生成零件二維截面形狀的視圖文件，由該文件驅(qū)動視圖發(fā)生器，在光敏樹脂表面形成相應(yīng)的圖形，并以其為掩膜，選擇性的對光敏樹脂實行整層固化［1］.

近年來，許多學(xué)者對于掃描式光固化快速成形系統(tǒng)制件的強度進行了研究.K.Chockalingam等通過研究，發(fā)現(xiàn)掃描式光固化快速成形系統(tǒng)的制作工藝及參數(shù)是決定制件拉伸強度的重要因素，通過選擇合理的制作工藝與參數(shù)，可以顯著提高制件的拉伸強度［2］，他們還研究了制件在不同的放置方式（沿試件長度、寬度、厚度方向放置）時制件拉伸強度的變化情況，研究結(jié)果表明，3種不同放置方式下制件的拉伸強度變化較大［3］；R.Quintana［4］等研究了激光掃描式快速成形技術(shù)中不同放置方式和放置方向?qū)χ萍鞆姸鹊挠绊懸?guī)律，結(jié)果表明放置方式對制件拉伸強度有重要影響，放置方式對制件拉伸強度無影響.面曝光快速成形技術(shù)主要用于微型零件的制作，微型零件必須具有足夠的強度，才能應(yīng)用于工程實際.本文根據(jù)光固化快速成形技術(shù)強度的主要影響因素，對面曝光快速成形系統(tǒng)制件的拉伸強度進行了實驗研究，研究了曝光時間、切層厚度及制件放置方式對制件拉伸強度的影響規(guī)律.

1 拉伸測試件

1.1 拉伸測試件的設(shè)計

光敏樹脂制件屬于脆性材料，脆性材料制件在進行拉伸實驗時對應(yīng)力集中非常敏感.國家標(biāo)準(zhǔn)及ISO等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制件在進行拉伸實驗時斷裂位置在標(biāo)距外時（標(biāo)距是指在拉伸測試件中間部分標(biāo)定的兩條平行標(biāo)線之間的距離，如圖1所示），實驗結(jié)果將無效［5］.

鄧可［5］等對ISO527-2標(biāo)準(zhǔn)試樣進行了研究，發(fā)現(xiàn)測試件在受拉伸時應(yīng)力集中主要發(fā)生在測試件過渡段靠近平直段的一小段區(qū)域內(nèi)，如圖1所示.劉先鋒［6］等對這種現(xiàn)象進行了分析，得出了式（1）所示的應(yīng)力集中系數(shù)與試件幾何參數(shù)的關(guān)系.

其中，Kb為測試件的應(yīng)力集中系數(shù)；R／b為過渡段圓弧半徑與平直段寬度比.從式（1）可以看出，隨R／b值的增大，Kb值會越來越小，當(dāng)（R／b）＞8時，Kb值的變化很緩慢.

圖1 拉伸測試應(yīng)力集中區(qū)示意圖Fig.1 Region of stress concentration on specimen

圖2 測試件尺寸圖Fig.2 Dimension of the specimen

由于面曝光快速成形系統(tǒng)適宜制作小尺寸的制件，為了研究該系統(tǒng)所制作出制件的拉伸強度，設(shè)計了圖2所示的測試件，該測試件的R／b值為8.

1.2 拉伸測試件合理性的實驗驗證

為驗證測試件設(shè)計的合理性，根據(jù)面曝光快速成形系統(tǒng)常用的制作工藝參數(shù)［7］，選取表1所示10組參數(shù)制作拉伸測試件.試件經(jīng)清洗后，采用SANS5105電子萬能試驗機進行拉伸實驗，拉伸速率按國家標(biāo)準(zhǔn) GBT1040.2—2006［8］取5mm／min.整理得圖3所示測試件的斷裂位置圖.據(jù)圖3顯示，10個試件的斷裂位置均在標(biāo)距內(nèi)，說明此測試件的設(shè)計符合國家標(biāo)準(zhǔn)及ISO對測試件斷裂位置的要求.

圖3 測試件斷裂位置圖Fig.3 Fracture positions on specimens

表1 測試件制作參數(shù)表Table 1 Manufacture parameters of the specimens

2 拉伸強度的影響因素

2.1 曝光時間

為研究曝光時間對制件拉伸強度的影響規(guī)律，采用控制變量法選取如表2所示的6組曝光時間制作測試件，并進行拉伸試驗.為保證試驗結(jié)果的可靠性，在相同的條件下同時制作3個制件，結(jié)果取平均值.實驗條件為：輻照度1.1μW／cm2，液面等待時間40s，樹脂加熱溫度40℃，切層厚度0.2mm.試件經(jīng)清洗后，在室溫23℃條件下，采用SANS5105電子萬能試驗機進行拉伸實驗，拉伸速率取5mm／min，實驗結(jié)果如表2所示.

圖4是表2中試件拉伸強度隨曝光時間的變化關(guān)系曲線，圖4顯示測試件的拉伸強度隨曝光時間的延長而增大.在樹脂發(fā)生光敏反應(yīng)的過程中，光引發(fā)劑吸收適當(dāng)頻率的光子產(chǎn)生引發(fā)固化反應(yīng)的自由基或陽離子，使單體和活性齊聚物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而生成高分子固化物，隨曝光時間的延長，光敏樹脂吸收的光能增加，導(dǎo)致光引發(fā)劑的反應(yīng)活性增強，樹脂的固化轉(zhuǎn)化率提高，樹脂固化后凝膠含量提高，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為緊密［9］，制件的強度增大.

表2 曝光時間與拉伸強度Table 2 Tensile strength in different exposure times

圖4 曝光時間與拉伸強度的關(guān)系Fig.4 Relationship between tensile strength and exposure time

圖5 切層厚度與拉伸強度的關(guān)系Fig.5 Relationship between tensile strength and layer thickness

2.2 切層厚度

為研究切層厚度對制件拉伸強度的影響規(guī)律，采用控制變量法選取如表3所示的6組切層厚度制作測試件，在相同制作條件下，每次制作3個制件，并對其時行拉伸試驗.為保證試驗結(jié)果的可靠性，每組試件的制作過程重復(fù)3次，結(jié)果取平均值.實驗條件為：曝光時間120s，輻照度1.1μW／cm2，液面等待時間40s，樹脂加熱溫度40℃.試件經(jīng)清洗后，在室溫23℃條件下，采用SANS5105電子萬能試驗機進行拉伸實驗，拉伸速率取5mm／min，實驗結(jié)果如表3所示.

圖5為表3中制件拉伸強度隨切層厚度的變化關(guān)系曲線，圖5顯示拉伸強度隨切層厚度的增大而減小.面曝光快速成形系統(tǒng)制作零件的過程中，光束可穿透與當(dāng)前固化層相鄰的已固化層，對已固化層進行后固化［10-11］.若切層厚度較小，則每次固化當(dāng)前層時，光束可穿透的已固化層數(shù)增多，對于已固化層而言，被后固化的次數(shù)越多，相應(yīng)地會使已固化層樹脂吸收的光能增加，使樹脂的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為緊密，導(dǎo)致制件的強度增大.

表3 切層厚度與拉伸強度Table 3 Tensile strength at different layer thicknesses

2.3 不同放置方式

為研究利用面曝光制作制件時制件的不同放置方式對制件拉伸強度的影響，利用圖6所示的3種不同放置方式，各制作了5個試件，并對其進行拉伸試驗.實驗條件為：曝光時間120s，輻照度1.1μW／cm2，液面等待時間40s，切層厚度0.2mm，樹脂溫度40℃，試件經(jīng)清洗后，用SANS5105電子萬能試驗機進行拉伸實驗，拉伸速率為5mm／min，所得拉伸實驗結(jié)果如表4所示.

表4的實驗結(jié)果表明，利用面曝光快速成形系統(tǒng)制作測試件時測試件的放置方式對測試件的拉伸強度有顯著影響.沿制件長度方向放置制件時，制件的拉伸強度最高，采用其他兩種放置方式時制件強度較低.第3種放置方式所得制件拉伸強度比第1，2種制作方式分別大382.81%，274.34%.

面曝光快速成形系統(tǒng)制作零件的過程中，光束可穿透與當(dāng)前固化層相鄰的已固化層，對已固化層進行后固化［10］.當(dāng)制件的分層數(shù)較多時，在制作整個零件過程中，已固化層被后固化的次數(shù)增多，導(dǎo)致固化層樹脂吸收的光能增加，使樹脂的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為緊密，導(dǎo)致制件的強度增大.采用圖6中3種不同放置方式制作測試件時，測試件的分層數(shù)不同，方式1分層數(shù)最少，方式3分層數(shù)最多.因此，采用方式1制作測試件時，制件的強度最低，采用方式3制作測試件時，制件的強度最高.

圖6 制件放置方式示意圖Fig.6 Build orientations of the specimens

3 結(jié) 論

（1）制件拉伸強度隨曝光時間的延長而增大.曝光時間在60～360s范圍時，隨曝光時間的延長，拉伸強度由2.21MPa逐漸增大到15.94MPa.曝光時間延長，光敏樹脂吸收的光能增多，導(dǎo)致光引發(fā)劑的反應(yīng)活性增強，使分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更為緊密，強度增大.

（2）拉伸強度隨切層厚度的增大而減小.切層厚度在0.05～0.5mm范圍時，隨切層厚度的增大，拉伸強度由17.33MPa逐漸減小到1.90MPa.切層厚度增大，光束對制件已固化層的透射次數(shù)減少，使制件各層吸收的能量減少，分子交聯(lián)緊密度下降，強度減小.

（3）制作測試件時測試件的放置方式對測試件的拉伸強度有顯著影響.沿制件長度方向放置制件時，制件的拉伸強度最高，采用其他兩種放置方式時制件強度較低.沿長度方向制作制件時，制件的分層數(shù)增多，光束對各個樹脂固化層的透射次數(shù)增多，強度增大.

表4 放置方式與拉伸強度Table 4 Tensile strength along different build orientations

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