SLA 光固化成型：最成熟的3D列印技術

07-25

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，製造三維物體。由於資金問題，該項目於1980年終止。同樣的研究於1984年在巴特爾實驗室（Battelle Laboratories）展開，該研究項目被稱為光化學加工（Photochemical Machining）。儘管當時政府為這項技術提供了完善的實驗室硬體支撐，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年獲得申請專利。同年，Charles Hull在加利福尼亞州成立了3D Systems公司，致力於將光固化技術商業化。1988年，3D Systems推出第一台商業設備SLA-250，光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的面世成為了3D列印技術發展史上的一個里程碑事件，其設計思想和風格幾乎影響了後續所有的3D列印設備。

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。光敏樹脂一般為液態，它在一定波長的紫外光（250 nm～400 nm）照射下立刻引起聚合反應，完成固化。SLA通過特定波長與強度的紫外光聚焦到光固化材料表面，使之由點到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個層截面的繪製工作。這樣層層疊加，完成一個三維實體的列印工作。

具體列印流程：

1. 在樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂，可升降工作台處於液面下一個截面層厚的高度，聚焦後的激光束在計算機控制下沿液面進行掃描，被掃描的區域樹脂固化，從而得到該截面的一層樹脂薄片；

2. 升降工作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，如此重複，直到整個產品成型；

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

需要注意的是，因為一些光敏樹脂材料的黏度較大，流動性較差，使得在每層照射固化之後，液面都很難在短時間內迅速流平。因此大部分SLA設備都配有刮刀部件，在每次列印台下降後都通過刮刀進行刮切操作，便可以將樹脂均勻地塗覆在下一疊層上。

SLA立體光固化成型工藝原理圖

自上而下還是自下而上？

在早期的SLA技術中，光源都是位於樹脂槽上方（Top），每固化一層，列印平台會向下移動(down)，所以稱為Top down結構，也稱為自由液面式結構。在這種結構中，固化發生在光敏樹脂和空氣的界面上，所以如果使用丙烯酸類樹脂，就可能有強烈的氧阻聚效應，導致列印失敗。同時，由於固化發生在光敏樹脂的液面，所以列印高度與樹脂槽深度有關：如果需要列印一個1米高的列印件，就需要1米深的樹脂。每次列印時，所需要的樹脂遠多於最終固化的樹脂。這樣可能造成浪費，也給更換不同種類的樹脂帶來了不便。自由液面式結構的SLA印表機一般都需要加裝液面控制系統，成本較高。這樣就是為什麼我們一般只在工業級SLA上看到自由液面式結構。

工業級SLA印表機的自由液面式結構

約束液面式（Bottom up）結構是基於自由液面式（Top down）結構的改進。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。每層加工完之後，工作台向上移動一層高度，重力可以使光敏樹脂流動，這樣就不需要再使用刮刀塗覆了。所以每次列印時，所需要的樹脂只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。這就是為什麼桌面級SLA印表機幾乎都採用這種結構。

桌面級SLA印表機的約束液面式結構

SLA優缺點

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數字模型直接製成原型，加工速度快，產品生產周期短，無需切削工具與模具。

成型精度高（在0.1mm左右）、表面質量好。

SLA主要缺點：

SLA系統造價高昂，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，具有氣味和毒性，需密閉，同時為防止提前發生聚合反應，需要避光保護。

成型件多為樹脂類，使得列印成品的強度和耐熱性有限，不利於長時間保存。

後處理相對繁瑣。列印出的工件需用工業酒精和丙酮進行清洗，並進行二次固化。

SLA應用

目前，用於SLA技術比較成熟的材料主要有以下四個系列：

① Ciba（瑞士）公司生產的CibatoolSL系列。

② Dupont（美國）公司生產的SOMOS系列。

③ Zeneca（英國）公司生產的Stereocol系列。

④ RPC（瑞士）公司生產的RPCure系列。

日本Unirapid公司列印的光敏樹脂物品（t指厚度）請點擊此處輸入圖片描述

自從1988年美國3D Systems 公司推出第一台商品化設備SLA250以來，光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，在概念設計的交流、單件小批量精密鑄造、產品模型、快速工模具及直接面向產品的模具等諸多方面廣泛應用於汽車、航空、電子、消費品、娛樂以及醫療等行業。

通過快速熔模製造、翻砂鑄造等輔助技術，SLA可以用於複雜零件（如葉輪）的小批量生產，並進行發動機等部件的試製和試驗。利用傳統工藝製造母模，成本較高且製作時間長，採用SLA技術可以直接製作熔模鑄造的母模，時間和成本顯著降低。