光（guāng）固（gù）化發展曆程

 

光固化（huà）技術可以追（zhuī）溯到1977年，美國的Swainson提出使用射線來引發（fā）材料相（xiàng）變，製（zhì）造三維物體。由於資金問題，該項目於（yú）1980年終止。同樣（yàng）的研究於1984年在巴特（tè）爾實驗室（Battelle Laboratories）展開，該研究項目（mù）被稱為光化學加工（Photochemical Machining）。盡管當時政府為這項技（jì）術提供了完善的實（shí）驗室硬件支（zhī）撐，但是沒能夠實現商業化。

 

1983年，Charles Hull發明了光固化成（chéng）型技術，並在1986年獲得（dé）申請專利。同（tóng）年，Charles Hull在加（jiā）利福（fú）尼亞州成立了3D Systems公司，致力於將光固化技術商（shāng）業化（huà）。1988年，3D Systems推（tuī）出（chū）第一台商業設備SLA-250，光固化快（kuài）速成型技術在（zài）世界範圍內得到了迅速而廣泛的應用。SLA-250的麵世成為了3D打印（yìn）技術發（fā）展史上的一個裏程碑事件，其（qí）設計思想和風格幾（jǐ）乎影響了後續所有的3D打（dǎ）印設備。

 

02

光（guāng）固化工作原理

 

光固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA或SL）主要是使用光敏樹脂作為原材料, 利用液態光敏樹脂在紫外激光束照射下會快速固化的特性。光（guāng）敏樹脂一般為液態，它在一定波長的紫外光（250 nm～400 nm）照射（shè）下（xià）立刻引起聚合反應，完成固化。SLA通過特定波長與強度（dù）的紫（zǐ）外光聚焦到光固化材料表麵，使之由點到線、由線到麵的（de）順（shùn）序凝固，從而完（wán）成一個層截麵的繪製工作。這樣層層疊加（jiā），完成一個三維實體的打印工作。

 

 

 

具體打印流（liú）程：

1. 在脂槽中盛滿液態光（guāng）敏樹脂，可升降工作台處於液（yè）麵下一（yī）個截麵層厚的高度，聚焦後的激光束在計算（suàn）機控製下（xià）沿液麵進行（háng）掃描，被掃描的區（qū）域（yù）樹脂固化，從而得到該截麵的一層樹脂（zhī）薄片；

 

2. 升降工作（zuò）台下降一個層厚距離，液體樹脂再次暴露在光線下，再次掃描固化（huà），如此重複，直到整個產品成型（xíng）；

 

3. 升降（jiàng）台升出液體樹脂（zhī）表麵，取出工件，進行相關後（hòu）處理，通過強光、電鍍、噴漆（qī）或著（zhe）色（sè）等處理得到需要的最終產品。

 

需要注（zhù）意的是，因為一些（xiē）光敏樹脂材料的黏度較大，流動性較差，使得（dé）在（zài）每層照射固化之後（hòu），液麵都很難在短時間內迅速流平。因此大（dà）部分SLA設備都（dōu）配有刮刀部件，在每次打印（yìn）台下降（jiàng）後（hòu）都通過刮（guā）刀（dāo）進行刮切操作，便可以將樹脂均勻地塗覆在下一疊層上。

 

 

自上而下還是自下而上？

在早期的SLA技術中，光源都是位（wèi）於樹脂槽上方（Top），每固（gù）化一層，打印平台會向下移動(down)，所以（yǐ）稱為Top down結構，也稱為自由液麵式結構。在這種結構中，固化發生在光敏樹脂（zhī）和空（kōng）氣（qì）的界麵上，所（suǒ）以如果使用丙烯酸類樹（shù）脂，就可能有強烈（liè）的氧（yǎng）阻聚效應，導致打印失敗（bài）。同時，由於固化發生在光敏樹脂的液麵（miàn），所以打印高度與樹脂槽（cáo）深度有關：如果需（xū）要（yào）打印一個（gè）1米高（gāo）的（de）打印件，就需要1米深的樹脂。每次打印（yìn）時，所需要的樹脂遠多於（yú）最終固化的樹脂。這樣可（kě）能造成浪費，也（yě）給更換不同種類的樹脂帶來了（le）不便。自由液麵式結構（gòu）的SLA打印機一般都需（xū）要加裝液麵控（kòng）製係統，成本較高。這樣就是（shì）為什麽我們（men）一般隻在工業級SLA上看到自由液麵（miàn）式結（jié）構（gòu）。

 

 

約束液麵式（Bottom up）結構是基（jī）於自由液麵式（Top down）結（jié）構的改進。在這種結構中，光源從樹脂槽下方往上照射，固化由底部開始。每層加工（gōng）完之後，工作台向上移動（dòng）一層高度，重力可以使光敏（mǐn）樹脂流動，這樣就不需要再使（shǐ）用刮刀塗覆了。所以每次打印時，所（suǒ）需要的樹（shù）脂隻需要略多於最終固化的樹脂，降低了成本，製作時間有較大縮短。這就是為什麽桌麵級SLA打印機幾（jǐ）乎都采用這種結構（gòu）。

 

 

03

SLA優缺點（diǎn）

 

SLA主要優點：

是最早出現的快速原型製造工藝，成熟度高。

由CAD數字模型直接製成（chéng）原型，加工速度快，產（chǎn）品生產周期短，無需切削工具與模具。

成型精度高（在0.1mm左（zuǒ）右）、表麵質量好（hǎo）。

 

SLA主要缺點：

SLA係統造價高昂（áng），使用和維護成本相對過高。

工作環境要求苛刻。耗材為液態樹脂，具有氣味（wèi）和毒性，需密閉，同時為防（fáng）止提前發生聚合反應，需要避光保護。

成型件多為（wéi）樹脂類，使得打印成品的強度和耐熱性（xìng）有限，不利於長時間保存（cún）。

後處理相對繁瑣。打印出的工件需用工業（yè）酒精和丙酮進行清洗，並進行二次固化（huà）。

 

 

04

SLA應用

目前，用於SLA技術比較成熟的材料主（zhǔ）要有以下（xià）四個係列（liè）：

 

①  Ciba（瑞士）公司生產的CibatoolSL係列（liè）。

 

②  Dupont（美國（guó））公司生產的SOMOS係列。

 

③  Zeneca（英國）公司生產的Stereocol係列。

 

④  RPC（瑞士）公司生產的（de）RPCure係列。

 

自從1988年美國（guó）3D Systems 公司（sī）推出第一台商品化設備SLA250以來，光固化快速成型技術在世（shì）界範圍內（nèi）得到了迅速而廣泛的應用，在（zài）概念設計的交流、單（dān）件小批量精密（mì）鑄造、產品模型、快速工模具及直接麵向產品的模具等諸多方麵廣泛應用於汽車（chē）、航（háng）空、電子、消費（fèi）品、娛（yú）樂以及醫療等行業。

 

通過（guò）快（kuài）速（sù）熔模製造、翻砂鑄造等輔助技（jì）術，SLA可以用於複雜零件（如葉輪（lún））的小批量生產，並進行發動機等部（bù）件的試製和試驗。利用傳統工藝製造母模，成本較高且製作時間長，采用SLA技術可以直（zhí）接製作（zuò）熔（róng）模鑄造（zào）的母模（mó），時間和成本顯（xiǎn）著降低（dī）。

 

 

在汽車行業，為了（le）滿足不同客戶的需求，需要（yào）不斷地改型。因此在開（kāi）發過程中需要做成實物以驗證其外觀形象、人體安全性（xìng）測試，以驗證設計人員的想法，在最終推向市場前完（wán）成設（shè）計方案。

 

在鑄造生產中，對於一些形狀複雜的鑄件，模具（jù）的（de）製造是一個巨大的難題。3D打印技術為鑄模生產提供了速度更快、效率更高的解決方案。

 

 

植物分割線

 

今（jīn）天的講解就到這裏。接下來，我們會從更多的角度去探討SLA以及（jí）更多的3D打印技術。如果你有任何疑問，歡迎在後台留言。

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