第二节 光固化成型(SLA)技术
光固化成型(Stereo Lithography或Stereo Lithography Apparatus，简称SL或SLA)技术，又可称为立体光刻成型技术。光固化成型技术已很成熟和稳定，尺寸精度也较高，最高可达0.2％。此项技术缘于Charles W.Hull提出的，采用激光束照射液态光敏树脂后逐层制作三维实体的快速成型方案。此项技术于1984年获得美国专利，之后3D System公司根据此项专利，在1986年生产出第一台激光快速成型设备SLA-250，如图2-5所示。其模型制作的工艺过程与模型制件分别如图2-6、图2-7所示。
图2-5 光固化成型设备
1—激光发生器 2—原型制件 3—光敏树脂液槽
图2-6 光固化成型工艺过程
1—CAD模型 2—切片处理 3—快速成型 4—激光固化 5—原型制件
SLA技术是早期发展起来的RP技术，也是目前最成熟、应用最广泛的RP技术之一。它能简便快捷地加工制造出各种传统加工方法难以加工制作的复杂的三维实体模型，在加工技术领域中具有划时代的意义。采用SLA技术制作的模型一般制作层厚在0.05～0.15mm之间，且成型的零件精度较高。然而，此技术也有自身的局限性，如需要制作支撑，树脂易产生收缩导致模型精度下降，并且光固化树脂有一定的毒性。
图2-7 光固化成型制件
1—原型制件 2—支撑结构
一、光固化快速成型(SLA)原理和系统组成
(一)SLA快速成型原理
光固化快速成型原理如图2-8所示。SLA系统由以下五部分组成：液槽、可升降工作台、激光器、扫描系统和计算机控制系统。工作时，在液槽中盛满液态光固化聚合物，带有很多小孔洞的可升降工作台在步进电动机的驱动下，沿Z轴方向做往复运动。激光器为紫外激光器，如氦-镉激光器、氩离子激光器、固态激光器等。扫描系统由一组定位镜组成，它能依据计算机控制系统发出的指令，按照每一层截面的轮廓信息做高速往复摆动，使得激光器发出的激光束反射后聚焦在液槽里液态聚合物的表面上，同时沿此面做X-Y平面的扫描运动。当一层液态光固化聚合物受到紫外激光束照射时，其就会快速地固化且形成相应的一层固态的截面轮廓。
图2-8 光固化快速成型原理图
1—激光器 2—工作台 3—刮板 4—液槽 5—托板 6—激光器 7—反射镜 8—透镜
当一层固化完毕后，工作台就会下移事先设定好的一个层厚的距离，然后在原固化好的表面再铺覆上一层新的液态树脂，用刮刀将树脂液面刮平，再进行下一层轮廓的扫描加工。此时新固化的一层牢固地粘结在前一层的表面上，如此循环，直至整个零件加工制造完毕，就得到一个三维实体产品或模型。
储液槽中所盛装的液态光敏树脂在一定波长和强度的紫外激光照射下会在一定区域内固化，以形成固化点。在每一层面的成型开始时，工作平台会处在液面下某一确定的深度，如0.05～0.20mm。聚焦后的激光光斑在液面上按计算机所发出的指令逐点进行扫描，以实现逐点固化。当某一层扫描完成后，未被激光照射的树脂仍然是液态的。之后升降架带动工作平台再下降一层的高度，则在刚刚成型的层面上又布满一层树脂，再进行第二层轮廓的扫描，形成一个新的加工层，同时与已固化部分牢牢地粘结在一起。
对于采用激光偏转镜扫描的成型设备而言，由于激光束被偏转而斜射，因此焦距和液面光点尺寸都是变化的，这将直接影响每一薄层的固化。为了补偿焦距和光点尺寸的变化缺陷，激光束扫描的速度必须是可以实时调整的。此外，制作每一薄层时，扫描速度也必须根据被加工材料的分层厚度变化而随时调整。
(二)SLA系统的组成
SLA系统通常由激光器、X-Y运动装置或激光偏转扫描器、光敏性液态聚合物、聚合物容器、控制软件和升降工作台等部分组成。光固化成型激光扫描运动轨迹示意图如图2-9所示。
图2-9 光固化成型激光扫描运动轨迹示意图
1—激光器 2—液态光固化聚合物
1.光学部分
(1)紫外激光器。通常采用氦-镉(He-Cd)激光器，输出功率为15～500mW，输出波长为325nm。还有一种是氩离子(Argon)激光器，其输出功率为100～500mW，输出波长为351～365nm。这两种激光器的输出都是连续的，寿命大约为2000h。第三种采用的是固体激光器，输出功率可达500mW以上，寿命可超过5000h，更换激光二极管后还能继续使用。这相比氦-镉激光器而言，更换激光二极管的费用要比更换气体激光管的费用少得多。此外，固体激光器所形成的光斑模式较好，有利于聚焦。一般其激光束的光斑直径为0.05～3.00mm，激光位置精度可达到0.008mm，往复精度能达到0.13mm。由此可见，固体激光器将是未来主要的发展趋势。
(2)激光束扫描装置。一般数控的激光束扫描装置有两种形式：一种是基于检流计驱动式的扫描镜方式，其最高扫描速度能达到15m/s，适用于制造尺寸较小的、高精度的模型制件；另一种是X-Y绘图仪的方式，其激光束在整个扫描过程中与树脂液面垂直，通过这种扫描方式能获得高精度、大尺寸的模型制件。
2.树脂容器系统
(1)树脂容器。用于盛装液态树脂的容器一般由不锈钢制成，其尺寸大小取决于SLA系统设计的最大尺寸原型，通常为20～200L。液态树脂是能够被紫外光感光且固化的光敏聚合物。
(2)升降工作台。在升降工作台上分布有多个小孔洞。在步进电动机的驱动下，升降工作台沿Z轴方向做往复运动，最小步距可在0.02mm以下。在Z轴225mm的工作范围内，位置精度为±0.05mm。
二、SLA工艺过程
光固化成型包括模型设计、切片与数据准备、三维实体模型的创建、光固化成型及后处理等。其具体工艺步骤如下。
(一)模型设计
光固化成型的第一步是在CAD软件中设计出所需产品的三维数据模型。所构造出的CAD图形无论是三维实体模型还是表面模型，都应具备完整的壁厚和内部描述特征。第二步是把设计出的CAD文件转换成快速成型设备所要求的标准文件，如STL文件格式，并将此文件输入至快速成型系统所配置的计算机内。
目前，与快速成型系统兼容的常用软件有：Pro/E、Unigraphics NX、AutoCAD、SolidWorks、I-DEAS、CATIA、CADKEY等。这些软件具有较强的三维实体造型或表面造型功能，可以构造具有复杂外形结构的模型，其中最常用的是Pro/E、SolidWorks软件。
前面所提到的计算机辅助设计软件产生的模型文件的输出格式多种多样，常见的有IGES、STEP、DXF和STL等格式。其中，STL格式是最常采用的格式之一。生成STL格式后，还需要第三方软件进行数据转换和处理，以便生成快速成型设备能够识别的数据文件。目前，国外出现很多CAD与RP系统之间相互转换的第三方软件，如美国SolidConcept公司的BridgeWorks、SolidView，比利时Materialise公司的Magics，美国hnageware公司的Surface-RPM等。其中Magics软件除了具有观察、测量、变换、修改、加支撑常规功能外，还提供了STL文件的剖切和冲孔功能，并且在分解STL文件时，可生成便于对接的结构；同时具有能将复杂零件进行精确地抽壳、光顺、去除噪声点等功能。
(二)模型切片与数据准备
将STL文件传送到光固化成型系统中，首先对STL模型文件进行检查和修复，并优化模型制作方向，以便构造出所需的三维实体模型。
在光固化成型过程中，液体树脂固化成型时，由于体积收缩而造成内应力，同时模型中的悬垂部分与底面都需要添加制作的基础，这就需要设计出合理的支撑结构来保持原型制件在制作过程中的稳定性和精确性，从而保证三维实体原型的成功制作。
目前，常用的支撑结构设计方法有两种：一种方法是根据STL数据模型直接设计支撑，输出STL的支撑文件，再与零件STL模型合并，进行分层处理；另一种方法是在分层截面轮廓上设计支撑结构，此支撑结构的设计需要在计算机上单独生成。在三维实体原型制作完毕后，还要进行一些后处理，以将支撑结构与产品原型剥离。一些SLA常见的支撑结构如图2-10所示。
图2-10 SLA常见的支撑结构
1—原型制件 2—支撑结构元素 3—支撑结构
利用RP设备自带的分层软件将三维数据模型进行分层，得到无数具有一定厚度的薄片层平面图形和有关的三角网格矢量数据，这些数据可用于控制激光束进行轨迹的扫描工作。分层参数的选择对产品模型的成型时间、模型精度等有很大影响。分层数据包括切片层厚的选择、扫描速度、网格间距、线宽补偿值、收缩补偿因子、建造模式以及固化深度等参数。
(三)三维实体模型的构造
三维实体模型的构造过程是液态光敏树脂聚合并固化成产品模型的过程。图2-11所示为光固化成型的工艺过程。首先可升降工作台的上表面位于液面下的一个截面层厚的高度，一般为0.125～0.750mm，该层的液态光敏聚合物被激光束扫描后固化，形成所需的轮廓截面形状，如图2-11a所示；然后工作台下降一个层厚的高度，液槽中的液态光敏聚合物流经并铺覆在刚才已固化的那层截面轮廓层上，如图2-11b所示；然后刮刀按照事先设定好的层厚的高度做往复运动，刮去多余的聚合物，如图2-11c所示；再对新铺上的这一层液态聚合物进行激光扫描和固化以形成第二层所需的固态截面轮廓。新固化的一层牢固地粘结在前一层的上面，如此循环往复，直到整个产品模型加工完毕。
图2-11 光固化成型工艺过程
a)一层扫描固化完成 b)工作台下降一个层厚 c)扫描并固化新的一层
三、SLA树脂涂层技术
树脂涂层技术是光固化成型技术的重要内容。它包括树脂具备的性能、树脂表面的平整度、涂层的速度等，是影响SLA技术的关键因素。图2-12所示为目前常用的树脂涂层的三种方法：深浸法、倒U形管法、黏液滞留法。
图2-12 常用的三种树脂涂层方法
a)深浸法 b)倒U形管法 c)黏液滞留法
(一)深浸法
深浸法的基本原理是当一层轮廓截面图形成型完毕后，工作台就会向下移动一段距离，此距离大于一个层厚，能将未成型完毕的原型浸没于液态树脂中；然后工作台上移，将原型升到下一层扫描的位置，此时，原型上铺覆具有表面张力的树脂；然后再用刮刀刮扫液面，其目的是刮去多余的树脂，留下所需的层厚，具体工艺过程如图2-12a所示。对于有内腔的原型而言，由于树脂具有黏附特性，当刮刀刮过表面时，必然会将内腔中的树脂拖带起，导致腔体内的液态树脂厚度会小于所要求的层厚，从而影响原型的精度。
(二)倒U形管法
如图2-12b所示，在树脂液面上装设有一盛满液态树脂的倒U形管装置，可用毛细管或静电将液态树脂吸入倒U形管中。涂层装置的后边带有刀刃，当一个层面的轮廓成型完毕后，工作台下降一个事先设定的层厚，该装置扫过液面，并将其中的树脂均匀地喷洒进行涂层。这种涂覆方法的优点是速度较快，避免了深浸法的缺点。
(三)黏液滞留法
如图2-12c所示，黏液滞留法的原理是，在两刮刀之间夹持一把刷子，当每一层的轮廓截面在进行扫描成型的工作时，该装置是被置于液态树脂中的；每一层轮廓截面成型完毕后，工作台就会下降一个层厚，然后夹持刮刀的装置被提起，扫过液面，同时利用刷子上滞留的黏稠树脂进行涂层。
四、SLA后处理
当原型制件在激光成型系统中成型后，工作台从容器中升起，从工作台上取出模型进行清洗，再进行检验及后处理。此时原型中还留有部分未完全固化的树脂，必须用强紫外光进行照射，使之完全固化。此外，SLA原型制件由于是逐层硬化的，层与层之间可能会出现台阶，必须去除。在成型工序结束后，原型的支撑也必须去除，然后再进行必要的修整，对表面质量要求较高的原型还需进行表面喷砂处理。
一般情况下，光固化成型的后处理工序主要包括原型制件的清理、去除支撑、后固化以及必要的打磨等工作。图2-13所示为SLA原型制件的后处理过程。
(1)原型制件成型后，工作台升出液面，需停留5～10min后再取下原型制件，如图2-13a所示，以晾干滞留在原型表面的树脂和排除包裹在原型内部多余的树脂。
(2)如图2-13b所示，将原型和工作台网板一起斜放，待晾干后将其浸入丙酮、酒精等清洗液中，刷掉残留的气泡。若网板是固定在设备的工作台上，则直接用铲刀将原型从网板上取下进行清洗。
(3)待原型制件清洗完毕后，去除原型底部及中空部分的支撑结构。去除支撑时，注意不要刮伤原型表面及其精细结构部位，如图2-13c所示。
(4)将原型制件再一次进行清洗，然后置于紫外烘箱中进行整体固化，如图2-13d所示。对各方面性能要求不高的原型制件可以省略此项工序。
五、SLA应用举例
目前，SLA原型制件常用于样品零件、功能零件和直接翻制硅橡胶模模具，也可替代熔模精密铸造中的蜡模来生产金属零件等。若用作样品零件、功能零件，则要求原型具有较好的尺寸精度、表面粗糙度以及强度等性能。当用作熔模精密铸造中的蜡模时，应满足铸造工艺中对蜡模各方面性能的要求，具有较好的浆料涂挂性能，并且在加热石蜡时，其膨胀性较小，在壳型内残留物要少。
图2-13 SLA后处理过程
a)晾干 b)清洗 c)去除支撑 d)进一步清洗与固化
SLA特别适用于制作中小型模型或样件，其制作的原型可以达到机械加工的表面效果，能直接得到树脂或类似工程塑料的产品。图2-14、图2-15所示均为典型的SLA样件。
图2-14 典型的SLA样件(一)
1—铸铝气缸体 2—SLA气缸体 3—汽车进气管原型制件
图2-16 所示为某工艺品的SLA原型和快速成型铸件，其中图2-16b所示为采用快速精密铸造方法制成的锌合金铸件。
图2-15 典型的SLA样件(二)
a)SLA轮毂模型 b)SLA涡轮模型
图2-16 某工艺品的SLA原型和快速成型铸件
a)工艺品SLA原型 b)工艺品锌合金铸件
图2-17所示为SLA250成型设备的工作平台与制作的模型。
六、SLA技术的优缺点
(一)SLA技术的优点
(1)尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm以内，有时甚至可达到0.05mm。
(2)表面质量较好。虽然在每层固化时侧面及曲面可能出现台阶，但在原型制件的上表面仍可得到玻璃状的效果。
(3)系统分辨率较高。能构建复杂结构的工件。
(4)可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的蜡模。
图2-17 SLA250工作平台与制作的模型
(二)SLA技术的缺点
1.成型制件外形尺寸稳定性较差 因为在成型过程中会伴随着一些物理变化和化学变化，导致成型件较软、薄的部位易产生翘曲变形，这将极大地影响成型制件的整体尺寸精度。
2.需要设计模型的支撑结构 支撑结构需在成型制件未完全固化时手工去除，而此时容易破坏成型件的表面精度。
3.SLA设备运转及维护的成本较高 液态树脂材料和激光器的价格都比较高，激光器等光学元件需要经常进行定期的校对和维护，且维护与保养的费用较高。
4.可使用的SLA材料种类较少 目前可用的SLA材料主要为感光性液态树脂材料，在大多数情况下，SLA制件不能进行抗力和热量等测试工作。
5.液态树脂材料具有气味和毒性 平时存放时需要避光保护，以防止其提前发生聚合反应。
6.成型制件需要二次固化 在大多数情况下，经SLA系统固化后的树脂制件还并未完全被激光固化，通常需要进行二次固化。
7.SLA成型件不便进行机械加工 液态树脂材料的性能不如常用的工业塑料，它较脆且容易断裂，一般不便进行机械加工。
七、SLA技术的现状
SLA方法一般适用于成型中、小型产品制件，能直接得到类似塑料的产品。目前，SLA的工艺状况主要有以下几方面内容：
(一)价格和使用费用方面
使用SLA技术最大的问题是研究和开发费用较高，这严重阻碍了该技术的广泛推广与应用。目前，国外一套SLA系统的价格为30万～80万美元，并且激光器的更换费用很高，氦-镉、氖离子激光器价格分别为2万～4万美元。此外，该系统的运行费用也较高，约70美元/h。目前，国产的同类成型机价格为100万元人民币左右，设备的运行费用也在200元/h以上。由此可见，如何降低SLA技术的售价、运行成本及材料成本等，是当前SLA技术急需解决的重要问题。
图2-18 西安交通大学SLA面成型3D打印机
针对SLA设备及激光器的更换费用较高等问题，西安交通大学近期开发了基于SLA面成型3D打印设备，如图2-18所示。其原理是借助直接投影技术，由投影机将每一层图片直接照射投影在工作台面的树脂材料上，并使其逐层固化成型。此项技术的突破点在于不是利用价格非常昂贵的、需定期更换的激光头去固化成型，而是采用成本相当低廉的LED灯直接照射成型，并且加工方式简单可靠，在加工小型制件时，更能体现其高精度、低价格的优点。
(二)材料方面
目前，液态光敏聚合物固化后的性能尚不如常用的工业塑料，呈现出较脆、易断裂以及不便进行切削加工等特性，且工作温度通常不能超过100℃。有时SLA制件还会被湿气侵蚀，导致工件的膨胀，其抗化学腐蚀的能力也有限。
在液态光敏聚合物的固化过程中会产生刺激性气体及污染物，因此在机器运作时，成型腔室应密闭。光敏树脂种类和性能的多样化也是当前需要研究的课题。目前大多数树脂从液态变成固态时易产生收缩，从而会引起SLA制件中部的残余应力的出现而发生变形。因此，今后SLA技术的研究方向应该是研制出价格低廉、收缩率小且无污染的光敏树脂材料，并且在固化后具有所需的力学性能、导电性、耐蚀性和颜色及一定的柔性。
(三)数据处理与工艺原理研究方面
三维CAD数据模型对SLA技术有着极其重要的影响，体现在整个快速制造过程都始于具体的三维CAD数据模型。因此，如何进一步完善CAD系统的造型功能、精确地表现出三维数据模型是提高成型件制造精度的有效途径。SLA技术所接受的原型描述文件为STL文件，它是由许多小三角形面片近似地表示三维CAD模型表面，这种处理必然会造成部分数据的丢失，因此应研究CAD模型的直接分层以及STL模型分层的各种优化方法，以便得到更为精确的所需模型的截面轮廓。此外，还需针对截面轮廓的填充扫描方式进行进一步的研究，并且应合理、准确、有效地设计支撑结构，以提高原型制件的成型精度。