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SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术

2018/4/13 10:58:48来源:3D虎 【字体:

导 读: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。
关 键 词:SLA 光固化 3D打印技术

  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。
 
  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 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  具体打印流程:
 
  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 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  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。
 
  SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  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。
 
 SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  桌面级SLA打印机的约束液面式结构
 
  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。
 
  SLA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。
 
  SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  日本Unirapid公司打印的光敏树脂物品(t指厚度)请点击此处输入图片描述
 
  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。
 
 SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  利用SLA技术制成的叶轮模型(图片来源:fit-prototyping.de)
 
  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。
 
  SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  一体成型的汽车仪表盘模型(图片来源:ems-usa.com)
 
  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。
 
 SLA 光固化成型:最成熟的3D打印技术
 
  利用SLA技术打印的熔模模型(左)及其实际铝制成品(右)


 
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