3D打印SLA光固化成型：最成熟的3D打印技术

杰呈三维科技

从今天开始，小熊我会正式开始3d打印技术的讲解。我不把它当作传授，因为我不是一位好老师。我更愿意把它当做交流或者是分享，这也是知识服务的本质。在3D打印领域，我不是专家，但也不浅尝辄止，而是追逐知识、观念、思想、技能的跨领域碰撞，与大家一起交流。

罗辑思维里提到，好的知识是便于大家使用的服务，而不是任何我自己自鸣得意的产品。小熊能给你的，是了解3D打印世界的入口，一本轻松实现跨行业合作的宝典，以及让你获得全球3D打印创新视野的绿卡。

今天的交流与分享，就从最早发展起来的3D打印技术--光固化成型开始。

一、  SLA光固化发展历程

光固化技术可以追溯到1977年，美国的Swainson提出使用射线来引发材料相变，制造三维物体。由于资金问题，该项目于1980年终止。同样的研究于1984年在巴特尔实验室（Battelle Laboratories）展开，该研究项目被称为光化学加工（Photochemical Machining）。尽管当时政府为这项技术提供了完善的实验室硬件支撑，但是没能够实现商业化。

1983年，Charles Hull发明了光固化成型技术，并在1986年获得申请专利。同年，Charles Hull在加利福尼亚州成立了3D Systems公司，致力于将光固化技术商业化。1988年，3D Systems推出第一台商业设备SLA-250，光固化快速成型技术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用。SLA-250的面世成为了3D打印技术发展史上的一个里程碑事件，其设计思想和风格几乎影响了后续所有的3D打印设备。

二、  SLA光固化工作原理

光固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA或SL）主要是使用光敏树脂作为原材料, 利用液态光敏树脂在紫外激光束照射下会快速固化的特性。光敏树脂一般为液态，它在一定波长的紫外光（250 nm～400 nm）照射下立刻引起聚合反应，完成固化。SLA通过特定波长与强度的紫外光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，从而完成一个层截面的绘制工作。这样层层叠加，完成一个三维实体的打印工作。

SLA光固化工作原理

SLA打印流程：

1. 在树脂槽中盛满液态光敏树脂，可升降工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束在计算机控制下沿液面进行扫描，被扫描的区域树脂固化，从而得到该截面的一层树脂薄片；

2. 升降工作台下降一个层厚距离，液体树脂再次暴露在光线下，再次扫描固化，如此重复，直到整个产品成型；

3. 升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行相关后处理，通过强光、电镀、喷漆或着色等处理得到需要的最终产品。

需要注意的是，因为一些光敏树脂材料的黏度较大，流动性较差，使得在每层照射固化之后，液面都很难在短时间内迅速流平。因此大部分SLA设备都配有刮刀部件，在每次打印台下降后都通过刮刀进行刮切操作，便可以将树脂均匀地涂覆在下一叠层上。

SLA立体光固化成型工艺原理图

自上而下还是自下而上？

在早期的SLA技术中，光源都是位于树脂槽上方（Top），每固化一层，打印平台会向下移动(down)，所以称为Top down结构，也称为自由液面式结构。在这种结构中，固化发生在光敏树脂和空气的界面上，所以如果使用丙烯酸类树脂，就可能有强烈的氧阻聚效应，导致打印失败。同时，由于固化发生在光敏树脂的液面，所以打印高度与树脂槽深度有关：如果需要打印一个1米高的打印件，就需要1米深的树脂。每次打印时，所需要的树脂远多于最终固化的树脂。这样可能造成浪费，也给更换不同种类的树脂带来了不便。自由液面式结构的SLA打印机一般都需要加装液面控制系统，成本较高。这样就是为什么我们一般只在工业级SLA上看到自由液面式结构。

工业级SLA打印机的自由液面式结构

工业级SLA打印机的自由液面式结构

约束液面式（Bottom up）结构是基于自由液面式（Top down）结构的改进。在这种结构中，光源从树脂槽下方往上照射，固化由底部开始。每层加工完之后，工作台向上移动一层高度，重力可以使光敏树脂流动，这样就不需要再使用刮刀涂覆了。所以每次打印时，所需要的树脂只需要略多于最终固化的树脂，降低了成本，制作时间有较大缩短。这就是为什么桌面级SLA打印机几乎都采用这种结构。

桌面级SLA打印机的约束液面式结构

桌面级SLA打印机的约束液面式结构

三、 SLA优缺点

SLA主要优点：

• 是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高。
• 由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。
• 成型精度高（在0.1mm左右）、表面质量好。
  

SLA主要缺点：

• SLA系统造价高昂，使用和维护成本相对过高。
• 工作环境要求苛刻。耗材为液态树脂，具有气味和毒性，需密闭，同时为防止提前发生聚合反应，需要避光保护。
• 成型件多为树脂类，使得打印成品的强度和耐热性有限，不利于长时间保存。
• 后处理相对繁琐。打印出的工件需用工业酒精和丙酮进行清洗，并进行二次固化。
  

四、SLA的应用

目前，用于SLA技术比较成熟的材料主要有以下四个系列：

①  Ciba（瑞士）公司生产的CibatoolSL系列。
②  Dupont（美国）公司生产的SOMOS系列。
③  Zeneca（英国）公司生产的Stereocol系列。
④  RPC（瑞士）公司生产的RPCure系列。

自从1988年美国3D Systems 公司推出第一台商品化设备SLA250以来，光固化快速成型技术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用，在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。

通过快速熔模制造、翻砂铸造等辅助技术，SLA可以用于复杂零件（如叶轮）的小批量生产，并进行发动机等部件的试制和试验。利用传统工艺制造母模，成本较高且制作时间长，采用SLA技术可以直接制作熔模铸造的母模，时间和成本显著降低。

在汽车行业，为了满足不同客户的需求，需要不断地改型。因此在开发过程中需要做成实物以验证其外观形象、人体安全性测试，以验证设计人员的想法，在最终推向市场前完成设计方案。

在铸造生产中，对于一些形状复杂的铸件，模具的制造是一个巨大的难题。3D打印技术为铸模生产提供了速度更快、效率更高的解决方案。

今天的讲解就到这里。接下来，我们会从更多的角度去探讨SLA以及更多的3D打印技术。如果你有任何疑问，欢迎在后台留言。
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