光固化發展曆程

 

光固化技術可以追溯到1977年，美國的Swainson提出使用射線來引發材料相變（biàn），製造三（sān）維物體。由於資金問題，該項目於1980年終止（zhǐ）。同樣（yàng）的研究於1984年在巴特爾實驗室（Battelle Laboratories）展開，該（gāi）研究項目被稱為光化學加（jiā）工（Photochemical Machining）。盡管當時政府為這項技術提（tí）供了完善的實驗室硬件支撐，但是沒能夠實現商業化。

 

1983年，Charles Hull發明了光固化成型技術，並在1986年（nián）獲（huò）得申請專利。同年，Charles Hull在（zài）加利福尼亞州成立了3D Systems公司，致力於（yú）將光固化技術商（shāng）業（yè）化（huà）。1988年，3D Systems推出第一台商業設備SLA-250，光（guāng）固化快速成型技術在世界範圍內得到了迅速而廣泛的應用。SLA-250的（de）麵世成為了3D打印（yìn）技術發展史上的一個（gè）裏程碑事件，其設計思想和風（fēng）格幾乎影響了（le）後續所有的3D打印設備。

 

02

光固化工作原理（lǐ）

 

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

 

 

 

具體打印流程：

1. 在脂槽中（zhōng）盛滿液態光敏樹（shù）脂，可升降工作台處於液麵下一個截麵層厚的高度，聚焦後的激（jī）光束在計算（suàn）機控製下沿（yán）液麵進行掃描，被掃描的區域樹脂固化，從而得到該截麵的一（yī）層樹（shù）脂薄片；

 

2. 升降工作台下降一個層厚距離，液體樹脂（zhī）再次暴露在光線下，再次（cì）掃描固（gù）化，如此重複，直到整個產品成型；

 

3. 升降台升出液體樹脂表麵，取出工件，進行相關後處理（lǐ），通過強光、電（diàn）鍍、噴漆或著色等處理得到需要的最終產品。

 

需要注意的是（shì），因為一些光敏樹脂材料的黏度較大，流動性較差，使得（dé）在每層（céng）照射（shè）固化之後，液麵都很難在短時間內迅速流平。因此大部分SLA設備都配有刮刀部（bù）件，在每次打印（yìn）台下降後都通過刮刀進行刮切操作，便可以將樹脂均（jun1）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，光源都是位於（yú）樹脂槽上方（Top），每固化一層，打印平台會向下移動(down)，所以稱為Top down結構，也稱（chēng）為自（zì）由（yóu）液麵式結構。在這種（zhǒng）結構中，固化發生在光敏樹脂和空氣的界麵上，所以如果使用丙烯（xī）酸類樹脂，就可能有強烈的氧阻聚效應，導致打（dǎ）印失敗。同時，由於固化發生在光敏樹脂的液麵，所以打（dǎ）印高度與樹脂槽深度有（yǒu）關：如果需要打印一個1米高（gāo）的打印件，就需要1米深的樹脂。每次打（dǎ）印時，所需要的樹（shù）脂遠多於最終固化的樹脂。這樣可（kě）能造成浪費，也給更換不同種類的（de）樹脂帶來（lái）了不便。自（zì）由液麵式結構的SLA打印機一般都需要加裝液麵控製係統，成本較高。這樣就是為什麽我們（men）一般隻在工業級SLA上看到（dào）自由液麵式結（jié）構。

 

 

約束（shù）液麵式（Bottom up）結構是基於自由液麵式（Top down）結構的改（gǎi）進。在（zài）這種結構中，光源從（cóng）樹脂槽下方（fāng）往上照射，固化由（yóu）底部開始。每層加工完之後，工作台向上移動一層高度，重力可以使光敏樹（shù）脂流動，這樣就不需要再使用刮刀塗覆了。所以每次打印時，所需要的樹脂隻需要（yào）略多於最終固化的樹（shù）脂，降低（dī）了成本，製作時間有較大（dà）縮短。這就是為（wéi）什麽桌麵級SLA打印機幾乎都采用這種結構。

 

 

03

SLA優缺（quē）點

 

SLA主要優點（diǎn）：

是最早出（chū）現的快速（sù）原型製造工藝，成熟度高。

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

成型（xíng）精度高（gāo）（在0.1mm左（zuǒ）右）、表（biǎo）麵質量好。

 

SLA主要缺點：

SLA係統造價高昂，使用和維護成本相對過高（gāo）。

工作環境要求苛刻。耗材為液（yè）態樹脂，具有氣味和毒性（xìng），需密閉，同時為（wéi）防止提前發生（shēng）聚合反（fǎn）應，需要避光保護（hù）。

成型件多為樹脂類，使得打（dǎ）印成品的強度和（hé）耐熱性有限，不利於長時間保存。

後處理相對繁瑣。打印出的工（gōng）件（jiàn）需用工業酒（jiǔ）精和丙酮進行清洗，並進行二次固化。

 

 

04

SLA應用

目前（qián），用於（yú）SLA技術（shù）比較（jiào）成熟的材料主要有以下四個係列：

 

①  Ciba（瑞士）公司生產的CibatoolSL係列。

 

②  Dupont（美國）公司生產的SOMOS係列。

 

③  Zeneca（英國）公（gōng）司（sī）生產的Stereocol係列。

 

④  RPC（瑞士）公司生產的RPCure係列。

 

自從1988年美國3D Systems 公司（sī）推（tuī）出第一台商品化設備SLA250以來，光（guāng）固化（huà）快速（sù）成型技術在世界範圍內得到了迅速而廣（guǎng）泛的應用，在概（gài）念（niàn）設計的交流、單件小批量精（jīng）密鑄（zhù）造、產（chǎn）品模型、快速工模具及（jí）直接麵向產品的模具等諸多方（fāng）麵廣泛應用於汽車、航空（kōng）、電子、消費品（pǐn）、娛（yú）樂以及醫療等行業。

 

通過（guò）快速熔模製造、翻砂鑄造等（děng）輔助技術（shù），SLA可以用於複雜零件（jiàn）（如葉輪）的小批量生（shēng）產，並進行發動機等部件的試（shì）製和試驗。利用傳（chuán）統工藝製造母模，成本較高且製作時間長，采用SLA技術可以直接製作熔模鑄造的母模，時間（jiān）和成本顯著（zhe）降低。

 

 

在汽車行業，為了滿足不同客戶的需求，需要不斷地改型。因此在開發過程中需要做成實（shí）物以驗證其外觀形象、人體安全（quán）性測（cè）試（shì），以驗證設計人員的（de）想法（fǎ），在最終推向市場前完成設計方（fāng）案。

 

在鑄造生產中，對於一些形狀複雜的鑄件，模具的製造是一個（gè）巨大的難題。3D打印技術為（wéi）鑄模生產提（tí）供了速度更快、效率更高的解決方（fāng）案。

 

 

植物分割線

 

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

由於小熊水平有（yǒu）限，文章中的疏漏和錯誤在所難免，懇請讀者批評指正，多提寶貴意見，使之不斷完善，小（xiǎo）熊在此致以謝意（yì）。