本
文
摘
要
快速成型（Rapid Prototyping）技术是20世纪80年代发展起来的一种新型制造技术。与传统的切削加工不同，RP采用逐层材料累加法加工实体模型，故也称为增材制造（AdditiveManufacturing，AM）或分层制造技术（Layered Manufacturing Technonogy，LMT）。RP是计算机技术、数控技术、材料科学、激光技术、机械工程技术集成的结晶。RP概念可以追溯到1892年美国的一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术。1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄教授发明了叠层模型造型法，1980年小玉秀男又提出了光造型法。SLA方法由Chuck Hull于1986年获美国专利。1988年，美国3D Systems公司率先推出了世界上第一台商用快速成型系统——光固化成型SLA-1，并以30%～40%的年销售增长率在世界市场出售。
1. SLA工艺简介
光固化成型技术又称立体光刻造型技术（Stereo Lithography Appearance，SLA）。它主要采用液态光敏树脂原料，通过3D设计软件（CAD）设计出三维数字模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，分层扫描固化叠加成三维工件原型。
光固化成型技术是基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光（如入=325nm）的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。液槽中盛满液态光固化树脂，激光束在偏振镜作用下在液态树脂表面进行扫描，光点照射到的地方，液体就固化。成型开始时，工作平台在液面下一个确定的深度，聚焦后的光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描固化。当一层扫描完成后，未被照射的地方仍是液态树脂，然后升降台带动平台下降一层高度，刮板在已成型的层面上又涂满一层树脂并刮平，然后再进行下一层的扫描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到一个三维实体模型。
具体的工作步骤如下：
1）将液态的光敏树脂材料注满打印池。
2）打印平板升起，直到距离液体表面一个层厚的位置时停下。
3）水平刮板沿固定方向移动，将液体表面刮成水平面。
4）激光器生成激光束，通过透镜进行聚焦后照射在偏振镜上，此时偏振镜根据切片截面路径自动产生偏移，这样光束就会持续地依照模型数据有选择性地扫描在液面，由于树脂的光敏特性，被照射到的液态树脂逐渐固化。
5）在固化完成后，打印平板自动降低一个固定的高度（一个层厚），水平刮板再次将液面刮平，激光再次照射固化，如此反复，直至整个模型打印完成。
光固化成型技术的优点是精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可以达到每层厚度0.05~0.15mm。其缺点则为可以使用的材料有限，并且不能多色成型。
2. SLA技术的最新进展
当前SLA技术的进展主要体现在以下几个方面：
（1）软件技术
随着越来越多的原型要在快速成型机上加工，RP数据处理软件的性能在提高工作效率、保证加工精度等方面变得越来越重要。因为虽然快速成型机的加工过程是自动进行，不需要人工干预，但RP的数据处理却要由人来完成，特别是由于目前通行的STL文件总存在这样那样的问题。当操作员手中有大量的原型要在短时间内加工出来时，数据处理就成了瓶颈，并且稍有疏漏，可能会导致一批零件的加工失败。数据处理应具备如下基本功能：①STL文件的修补：②多个加工文件的定位、定向；③支撑设计；④切片操作。成型机生产厂商自己开发的数据处理软件已很难满足要求，一些通用的RP软件应运而生，其中最著名的是比利时Materialise公司开发的Magics RP。
（2）激光技术的进步使成型速度大幅度提升
RP技术走出实验室后，就必须不断提高成型速度，才能逐步符合“快速”二字。从设备的角度而言，激光功率是影响成型速度的主要因素。光固化的成型速度一般用每小时成型的原型重量来衡量。初期采用325nm的氦镉激光器的光固化成型设备激光功率较低（50mW左右），一般的成型速度在20- 30g/h之间。351nm的氯离子紫外激光器虽然能输出较高功率的激
光，但却有体积大、对水、电需求严格等缺点。目前，工作波长为355nm的半导体泵浦固体激光器（DPSS）的发展迅速改变了这种状况，成为光固化快速成型系统的理想光源。新型的半导体泵浦固体紫外激光器输出功率在100mW以上，甚至超过1W，扫描速度接近了偏振镜扫描系统的极限，从而使成型速度提高一倍以上，达到50～100g/h。固体激光器的另一个优点是寿命大大增加，可接近或超过10000h，而且激光器的再生费用也较低，从而大大降低了设备的使用成本。成本更低、稳定性更高、使用寿命更长是对紫外固体激光器发展的要求。
（3）成型材料的进展
对于光固化快速成型设备来说，光敏树脂材料是至关重要的，目前进口材料已解决了收缩变形的问题，朝性能多样化、功能材料方向发展。目前，光固化材料供应商主要有DSMSomos、 VANTICO、RPC等公司。以DSM Somos公司为例，该公司提供多种型号的光敏树脂材料，能满足多种需求。例如，Somos 11120是一种低黏度的光敏树脂，固化后的性能类似于ABS塑料，并且燃烧后残留灰分很少，特别适合于消失铸造。而Somos 12120是一种耐高温光敏树脂，原型成型后呈淡红色，经热固化后，热变形温度可达126℃（0.46MPa），适合耐高温的要求。ProtoTool 20L是一种高强、高硬、高温复合光敏树脂，固化后的热变形温度可达259℃（0.46MPa），拉伸强度可达79MPa，可直接用于加工汽车零件、风管测试件、车灯等功能零件，甚至可直接加工注塑模具。
（4）成型机、电、控制系统不断完善，使稳定性、加工质量和效率不断提高
立体光固化工艺过程恰似搭建空中楼阁，局部的加工缺陷会造成整个加工过程的失败，具有天然的脆弱性，因而设备的稳定性至关重要。提高设备的稳定性要从光、机、电、软件各部分着手。新的光固化成型设备采用先进的真空吸附涂层系统，使得大平面的涂层可靠性大大提高，并且完全消除了气泡，整个涂层时间也大大缩短；成型机的电气系统采用PLC控制，稳定性和可靠性得到保证；控制软件可根据激光功率的变化自动调节工艺参数，因而整机性能得到大幅提升。
3. SLA技术的发展趋势
因为快速成型符合加工过程数字化这一潮流，因此从长期来讲，它必将从原型的加工转变成产品的加工，并可能成为未来一个主要的3D打印加工手段。在未来的几年内，3D打印设备技术会出现一个相对的平稳阶段，发展主要体现在生产效率的提高和材料的改进上。随着人们对RP的不断了解，各种RP工艺将会在最适合自己的领域内发挥自己的作用。作为RP百花园中的一朵“奇葩”，光固化成型以其出色的精度，在非金属材料的高端快速成型领域内将继续领先。
目前，光固化成型3D打印机占据着RP设备市场的较大份额。中国在20世纪90年代初就开始了对SLA快速成型的研究，经过近十余年的发展，取得了长足的进展，国产快速成型机在国内市场的拥有量已超过了进口设备，并且其性价比和售后服务优于进口设备。
