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快速造型技术专用胶粘剂的研究状况点击：1676 日期：[ 2014-04-26 22:44:49 ] |
| 曾繁涤(华中理工大学化学系,武汉市,430074) 1 引言 为了适应日趋激烈的市场竞争,满足产品更新换代不断加快的需要,必须缩短新产品的设计和试制周期。其中的关键是制造出产品的原型,以便尽快对产品进行验证,为此出现了一种全新的快速造型技术———ＲＰＭ(ＲａｐｉｄＰｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ),这是一种集ＣＡＤ、ＣＡＭ、ＣＮＣ激光和材料科学为一体的高新技术,这种技术能在很短时间内制造出大小不同形状复杂的零部件和产品的原型,大大缩短了新产品的研究开发周期,因此世界上各发达国家从80年代后期以来投入了大量的人力、物力和财力来研究、开发和应用这一新技术。例如:美国的斯坦福大学,3Ｍ公司;德国的期图加特大学,大众汽车公司;日本大坂府立综合研究所,东芝公司等著名大学和公司都竞相研究开发和应用这一技术和与这一技术相配套的成型材料,本文简要地就快速成型技术专用胶粘剂的国内外研究情况、专用成型材料的性能要求、它们的应用前景和市场需求作一介绍,并就研究开发这一类材料提出一些意见和看法。 2 快速造型技术的种类和专用成型材料 虽然快速成型技术出现的时间还不长,但是已有4种比较成熟的方法,它们是:立体平版印刷(ＳＬＡ-ＳｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＡｐｐａｒａｔｕｓ),分层物体制造(ＬＯＭ-ＬａｍｉｎａｔｅｄＯｂｊｅｃｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ),熔丝沉积制造(ＦＤＭ-ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ),和选择性激光烧结(ＳＬＳ-ＳｅｌｅｃｔｅｄＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒ ｉｎｇ)。各种造型方法都有各自的特点,所使用的专用成型材料也各不相同。立体平版印刷主要使用可以光固化的聚合物材料有选择地逐层固化,来实现快速成型,对材料要求较高,进行这方面的研究开发工作的有美国3Ｍ公司,ＵＶＰ公司,日本的名古屋工业研究所等。目前使用较多的分层物体制造技术主要使用涂布有热熔胶粘剂的专用纸张,逐层粘接来实现快速成型,由于专用纸张的制造工艺较简单,容易操作,成本也较低,因而发展迅速,进行这方面的研究开发工作的有美国的Ｈｅｌｉｓｙｓ公司,德国大众汽车公司,日本的三菱商社等。熔丝沉积制造和选择性激光烧结2种快速成型技术是较前2种方法更晚一些的快速成型技术,和前2种技术相比,它们可以实现无模具制造产品和零件。 ＦＤＭ和ＳＬＳ不同之处在于:ＦＤＭ不需要激光器,但是需要开发专门生产丝状成型材料的工艺和设备;ＳＬＳ需要的激光器是普通的二氧化碳激光器,成本低,寿命长且可以更换。ＦＤＭ主要使用的材料是热塑性材料,如石蜡,聚酯塑料或ＡＢＳ塑料等,ＳＬＳ除了可以使用上述的材料外,还可以使用金属,陶瓷等材料,其材料的选择范围更广,ＦＤＭ使用的材料为丝状,而ＳＬＳ使用的材料是粉状。以美国ＤＴＭ公司的ＳＬＳ系统所使用的材料为例,它们的主要性能见表1。除了表中所列的性能外,作为ＳＬＳ专用成型材料还必须具有很好的烧结性能,在烧结过程中不会发生降解、变色等现象,产品的尺寸稳定性必须得到保证。因此,表中所列的材料不是单一的烧结材料,而是以所列材料为基体树脂,按照产品的使用性能和ＳＬＳ成型条件而进行合理的配方设计所得到的烧结材料。虽然烧结材料和胶粘剂的工作原理有很大的不同,但是它们的主要作用和胶粘剂的作用十分相似,我们仅作简单介绍。关于ＳＬＡ所使用的材料,主要是能光固化的材料,限于篇幅,本文不作介绍。 在我国,研究开发ＲＰＭ技术也受到高度的重视,这一技术被机床界元老评为当今世界的18项高新技术之一,国家自然科学基金,国家教委,以及许多省市科委都立项支持研究开发这一技术。最早进行研究的单位有清华大学和华中理工大学,随后西安交通大学、浙江大学、北京航空航天大学等单位也进行了这方面的研究工作。清华大学与国外公司合作,开展了ＳＬＡ和ＬＯＭ技术的研究,研制成功一台多功能的试验装置,制造出ＬＯＭ制件,同时在进口的ＳＬＡ设备上进行ＳＬＡ基础和应用研究,制造出ＳＬＡ制件。华中理工大学于1990年就开始了快速造型技术的研究,前期主要进行ＳＬＡ的研究,后来,考虑到ＬＯＭ技术更适合我国国情,于1993年集中力量进行ＬＯＭ技术的开发,目前ＬＯＭ技术已达到工业化和商品化的水平。不仅如此,在研究开发ＬＯＭ技术和设备的同时,借鉴国外成功的经验,还对ＬＯＭ专用成型材料进行了研究开发,已经形成了ＬＯＭ设备,软件和配套专用材料的全套技术,使我国的快速造型技术能自主全面的发展。另外,西安交通大学、浙江大学、北京航空航天大学的研究开发工作也有很大的进展,取得了很好的结果,形成了竞相发展的良好态势。 3 ＬＯＭ快速造型技术专用成型胶粘剂的特点和性能 ＬＯＭ快速造型技术是采用涂布有胶粘剂的纸张,通过逐层粘接,由激光切割成型,而实现快速造型。它使用的胶粘剂必须满足如下的要求:① 对纸张有很好的粘接性能,其粘接强度要大于纸张的内聚强度,即在进行粘接破坏时,纸张发生内聚破坏,而粘接层不发生破坏。② 粘接而成的制件的硬度要高,才能保证制件的形状和尺寸,因此一般的橡胶型胶粘剂不适合使用。③ 胶粘剂在激光切割后能顺利的分离,胶粘剂和纸张断面之间不能发生相互粘连,即模型分离性能好。④ 工艺性良好,在纸张表面进行涂布时其涂布性要好,而在逐层粘接时又要经受来回的辊压,不能发生起层现象。另外,对色泽、热稳定性等方面的要求,要根据设备和制作的制件来确定。从以上的性能要求可以看出,前2项性能要求和一般的胶粘剂相似,而后2项要求有些特殊,因此在进行配方设计时必须充分注意到这一特点。目前使用于ＬＯＭ的胶粘剂都是热熔胶粘剂,根据它们的涂布方式的不同,又可分为2类。一类是使用粉末基体树脂,将基体树脂均匀分散在纸张上,通过红外或微波加热后,固定在纸张上,制成ＬＯＭ专用纸张。这种方式的优点是施胶工艺易行,配方的调整容易。但是粉末状树脂如粉末ＥＶＡ等,目前国内尚未大量生产,国外的产品价格很高,大量应用有一定困难;另一类是使用热熔涂布的方式,它可使用普通的热熔胶生产设备,采用国产原材料来生产专用纸张,比较容易实现工业化和商品化,但是配方设计的要求高。例如,为了满足涂布工艺的需求,要求胶粘剂有较低的熔体粘度和较宽的熔融温度范围,而在成型过程中却要求它有较高的熔点和尽可能狭窄的熔融温度范围,这2者是完全相反的要求,因此配方的设计技术要求高。这2种涂布方式的示意图如下: 可以作为微波、红外熔融法涂布方式的热熔胶粘剂,根据国外有关资料报道,有以下几种,它们的特点如表2所示。 从表2中可以看出:这几种胶粘剂虽各有优点,但作为ＬＯＭ专用胶粘剂还存在一些缺点,如共聚尼龙虽然加工温度和压力可以,但是耐水性一般,粘接性也不很理想,而且一般市售的尼龙还达不到这样的水平。高密度和低密度聚乙烯虽然有较好的耐水性,但其加工温度和压力都很高,加工困难,而且粘接性不好,也不能满足使用要求。ＥＶＡ各项性能尚可,但其耐水性不好。因此,要研究开发出适用于ＬＯＭ的专用胶粘剂,必须从改性基体树脂着手,进行合理的配方研究才行。从流变学的观点出发,无论是哪种涂布方式,都要求热熔胶的粘度随温度的变化符合如图1所示的流变行为,即在温度低时,体系有很高的粘度,很高的模量和硬度,温度升高时粘度应迅速降低,在很窄的温度范围内粘度下降呈数量级变化,这样才能满足ＬＯＭ的要求。众所周知,高分子化合物由于分子质量有一定的分布,很难达到图2所示的流变行为,但可以断言,作为ＬＯＭ专用胶粘剂的基体树脂必须是分子质量分布很窄的基体树脂。 目前,我们已经研究开发出第2种涂布方式的ＬＯＭ专用胶粘剂,由深圳富来电子公司武汉经营部生产供应。这2种胶粘剂的区别在于,一种是粉末热熔胶,一种是涂布热熔胶;涂布热熔胶又有2个品种,一种的使用温度较高,又称为高温胶,一种使用温度稍低,又称为低温胶,它们都能满足ＬＯＭ的使用要求。 4 对今后发展快速造型专用材料的意见 快速造型技术是多学科交叉的高新技术,对这种技术的研究开发必须由从事设备、软件和材料的科技人员密切合作,才有可能实现快速造型技术的发展。因此建议组织从事快速造型设备、软件以及材料的科技人员联合攻关,发展我国自己的快速造型全套技术。另外,从我们研究开发中发现,国外对这类材料是进行了很多基础研究后才开发出产品的,我们研究开发的产品虽然性能已和国外产品相似,但是仍有差距,只能做到“形”似,还不能做到“神”似,这是由于我们的基础研究没有跟上的缘故,只有加强基础研究才可能使我们的快速造型专用材料迅速赶上世界先进水平。 |
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