近日，北京理工大學材料學院夏敏教授、羅運軍(jun) 教授課題組在含能材料相關(guan) 光固化3D打印工藝控製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(wei) 題，發表在增材製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(wei) 北京理工大學材料學院碩士研究生郭濤，夏敏教授、羅運軍(jun) 教授等為(wei) 共同通訊作者。

將光固化樹脂與(yu) 含能固體(ti) 組分相結合，通過樹脂的快速光固化定型，是實現含能材料增材製造的有效技術途徑。數字光處理（DLP）是一種高精度、高效率的增材製造方式，它通過將光固化樹脂逐層曝光固化實現成型在完成一層，每完成一層打印後，成型台升起高度H ，來自數字光源的持續一段時間的紫外光照射在位於(yu) 樹脂料盒底部和樣品之間的樹脂上，它從(cong) 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(yu) 否的關(guan) 鍵在於(yu) 成型台升起高度H與(yu) 曝光時間的匹配度。隻有在設定的曝光時間內(nei) ，樹脂的固化層厚度zp大於(yu) 或等於(yu) H，打印才能完成，否則便會(hui) 出現脫層的現象。而樹脂在麵光源的照射下，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並預測固化厚度的方法對於(yu) DLP工藝的精細調控具有重要意義(yi) 。

基於(yu) 這一需求，課題組人員設計建立了固化厚度的分析模型，然後對傳(chuan) 統含能材料粘合劑進行端基改性製備光固化粘合劑，並分析該粘合劑固化厚度與(yu) 曝光時間之間的關(guan) 係，最後與(yu) 所推導的公式相印證並計算各參數值，得到可預測光固化樹脂固化厚度的數學模型，為(wei) 含能材料3D打印的工藝調控奠定基礎。

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(guan) 係分析（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律取決(jue) 於(yu) 兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵參數：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，引發劑與(yu) 反應基團的濃度可被視為(wei) 常數，Tc與(yu) 1/I00.5和1/[1]0.5呈線性關(guan) 係，實驗結果如圖2a、b、c所示，這與(yu) 模型所預測的一致。

圖2 特征穿透深度ha與(yu) 引發劑濃度[1]的關(guan) 係（a）；特征固化時間與(yu) 1/[1]0.5（b）以及1/I00.5（c）；模型與(yu) 實驗所得固化厚度的對比（d）

理論模型與(yu) 實驗研究結果表明，光固化樹脂的固化厚度與(yu) 曝光時間之間的關(guan) 係主要受到引發劑濃度和光強影響，特征穿透深度的倒數與(yu) 引發劑濃度呈線性關(guan) 係，特征固化時間與(yu) 引發劑濃度和光強乘積平方根的倒數呈正比例關(guan) 係；此外，高引發劑濃度會(hui) 增加樹脂的吸光係數，在高層厚打印時會(hui) 顯著增加固化時間；而過低的引發劑濃度則會(hui) 使得樹脂內(nei) 光強分布梯度過於(yu) 平緩，難以通過控製曝光時間來控製固化厚度。對於(yu) 硫醇-烯基光固化樹脂體(ti) 係，選取2wt%~3wt%的TPO濃度即可。