摘 要

对于3D打印中的增材制造技术,本文提出了短切纤维增强复合材料薄膜层层叠加的想法。在环氧丙烯酸酯树脂中加入短切高硅氧玻璃纤维、聚合型MDI增稠剂以及光引发剂TPO和184组成光固化体系，制备出可光固化的短切纤维增强复合材料薄膜。通过外加增稠剂增大粘度，以使纤维增强复合材料薄膜在未固化前达到可层叠再固化的效果。通过激光切割成不同形状的膜片逐层叠加，并利用紫外光引发固化，得到具有纤维增强的3D制品。

本文主要研究了光引发剂种类和用量对固化时间的影响，以及增稠剂用量及纤维含量对样品的热性能和力学性能等方面的影响。结果表明，选择适合的引发种类和用量，可以提升固化效率，且增稠剂用量的增多，环氧丙烯酸酯树脂基复合材料的Tg会上升；当加入长3mm、体积分数为30%的短切高硅氧玻璃纤维后，复合材料的弯曲强度可达82Mpa。

关键词：紫外光固化；成膜；增稠；堆叠；薄膜性能

Abstract

This paper puts forward the idea of stacking the fiber reinforced polymer matrix composites films layer by layer according to the manufacturing technology in 3D printing.Adding the high silica chopped glass fibers, polymeric MDI and photo-initiators TPO and 184 to the epoxy acrylate resin makes photo-curable films. Using the thickener to increasing its viscosity can make fiber-reinforced composite membrane being stacked to achieve the effect of re-solidified prior to stripping the uncured tack. After using laser cutting into different shapes,it can stack layer by layer, and the using of ultraviolet light can initiate the curing to give a 3D products.

This paper studies the effects of the kind and amount of photo-initiator for curing time , and the impact of the amount of thickener and fiber content on the thermal properties and mechanical properties and so on.The results showed that, selecting the appropriate initiator system and increasing appropriately in the light amount of initiator, can increase the curing efficiency ,and within a certain range, with the increase in the amount of thickener, the glass transition temperature of the composite material will rise; when added to 3mm long fibers, the volume fraction of 30% high silica chopped glass fiber, wending strength can be up to 82Mpa.

Key Words：UV curing; deposition; thickening; ;stacking;films properties

目录

第1章 绪论 1

1.1 3D打印材料简介 1

1.2 3D打印成型方式 1

1.3光固化体系的基本构成 2

1.4 3D打印国内外应用现状 3

1.5 研究目的意义及内容 3

第2章 光敏树脂的固化体系特性研究 5

2.1实验部分 5

2.1.1实验材料 5

2.1.2 实验仪器 5

2.1.3 试样制备 6

2.2 测试与表征 6

2.3结果与讨论 7

2.3.1引发剂种类对固化时间的影响 7

2.3.2引发剂用量对固化时间的影响 8

2.3.3 增稠剂含量对固化程度影响的测定 8

2.3.4 增稠剂含量对薄膜热性能影响的测定 11

2.3.5 增稠剂含量对力学性能影响的测定 13

2.4本章小结 14

第3章 纤维对体系的影响研究 15

3.1实验部分 15

3.1.1实验材料 15

3.1.2实验仪器 15

3.1.3 试样制备 16

3.2测试与表征 16

3.3 实验结果与讨论 17

3.3.1纤维分布状态的测定 17

3.3.2纤维含量对薄膜硬度及力学性能影响的测定 17

3.3.3纤维含量对薄膜热性能影响的测定 18

3.3.4 SEM分析 19

3.4 本章小结 20

第4章 结论与展望 22

4.1 结论 22

4.2 展望 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

1.1 3D打印材料简介

经过多年的发展，3D打印技术已经慢慢进入人们的视野，在食品、教育和工艺品等领域大量应用，很多新型产业出现，美国已经成为增材制造中发展迅猛的国家。而在3D打印的原材料中，高分子复合材料也进入人们的视野。

在3D成型中，高分子丝材是一种使用较多的原料。它具有机械强度高、熔融温度合适、对环境无污染和低收缩率等特点，代表有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物^[1]。现在，光敏树脂也多用于3D打印工艺中。在国内外，已经投入大量使用的光聚合物有两种，分别是乙烯基不饱和聚酯树脂和丙烯酸型树脂。环氧丙烯酸酯树脂具有固化速度快，反应过程中几乎不产生挥发物，硬度高、体积收缩率小和廉价等特点。但其吸水率高，让它不能普遍用于各方向。而乙烯基不饱和聚酯树脂耐介质性差和耐水机能差。近年来，不饱和聚酯的钻研在美国和日本等国度是一个活泼的钻研方向。聚氨酯丙烯酸酯类具备好的耐化学以及柔韧性好等特点而被大量使用。聚合物粉末是激光烧结粉末材料成型的原材料^[2]。高分子粉末往往烧结工艺不复杂、3D打印制品质量高，目前常用树脂有聚苯乙烯等。高分子凝胶常常应用于人类健康等方面的医用材料上，比如3D打印出的人体软组织器官。

1.2 3D打印成型方式

人们对三维印刷已经获得了相当大的兴趣，最近由于开放源码软件以及这些设备驱动的扩散，并伴随着媒体的报道，往往大肆渲染技术，公众可能会产生的印象是三维打印是圣杯，我们将打印每一件物品，如克隆人体的三维生物打印，传统的制造是在崩溃的边缘。在如今的各类3D打印技术中。主要有激光烧结、分层实体制造、熔融沉积成型以及立体光刻技术能够应用高分子复合材料 3D 制造成型技术^[3]。

SLS 制造复合材料是使用混合粉末，但易使产品成份不匀。FDM 工艺是先将纤维和树脂做成预浸丝束，经由喷嘴堆放形成一层。层间通过树脂部分或完全融化粘接在一起，所以对体系的流动性要求高^[4]。LOM 技术经由预浸条层层叠加以制出立体物品^[5]。 SL制造是在光敏树脂中加入增强颗粒或纤维，利用紫外光层层固化。但物品往往是呈现有孔洞的状况。而其中涉及的光固化是一种最多见的固化方式，其需要较低的活化要求，在常温和低温都可以进行固化，故其应用广，也受到人们的关注。