7.1.1 SLA工艺介绍
（1）SLA成型系统结构
Lite 600HD是我国典型的光固化成型机，如图7.1所示。其技术水平已基本达到国际同类产品的水平，且价格只有进口价格的1/3～1/4，基本可以替代进口。
图7.1 Lite 600HD
光固化成型系统由液槽、可升降工作台、激光器、扫描系统和计算机数控系统等组成。
1）光路系统
①紫外激光器：快速成型所用的激光器大多是紫外光激光器。一种是传统的如氦镉（He-Cd）激光器，输出功率为7～50 mV，输出波长为325 nm，而氩离子（Argon）激光器的输出功率为100～500 MW，输出波长为351～365 nm。这两种激光器的输出是连续的，寿命约是2 000 h。另一种是固体激光器，输出功率可达500 mW或更高，寿命可达5 000 h，且更换激光二极管后可继续使用，相对于氦镉激光器而言，更换激光二极管的费用比更换气体激光管的费用要少得多。另外，激光以光斑模式出现，有利于聚焦，但由于固体激光器的输出是脉冲的，为了在高速扫描时不出现短线现象，必须尽量提高脉冲频率。综合来看，固体激光器是发展趋势。一般固体激光器激光束的光斑尺寸是0.05～3.00 mm，激光位置精度可达0.008 mm，重复精度可达0.13 mm。
②激光束扫描装置：数控的激光束扫描装置有两种形式。一种是检流计驱动的扫描振镜方式，最高扫描速度可达7 m/s，它适合于制造尺寸较小的高精度原型件。另一种是X-Y绘图仪方式，激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直，这种方式能获得高精度、大尺寸的样件，如图7.2所示。
图7.2 振镜扫描系统
2）树脂容器系统
①树脂容器：盛装液态树脂的容器由不锈钢制成，其尺寸大小取决于光固化成形系统设计的原型或零件的最大尺寸（通常为20～200 L）。液态树脂是能够被紫外光感光固化的光敏性聚合物。
②升降工作台：带有许多小孔洞的可升降工作台在步进电机的驱动下能沿高度Z方向做往复运动。最小步距小于0.02 mm，在225 mm的工作范围内位置精度达±0.05 mm。
3）液位调节系统
①Lite 600HD采用平衡块填充式液位控制原理，如图7.3所示，由液位传感器、平衡块组成。液位传感器实时检测主槽中树脂液位高度，当Z轴上升下降移动时，必然引起主槽中液位变化，而平衡块则根据检测液位值结果控制自动下降或上升，以平衡液位波动，形成动态稳定平衡，从而保持液位的稳定。
②液位调节的作用是控制液位的稳定，液位稳定的作用：
A.保证激光到液面的距离不变，始终处于焦平面上；
B.保证每一层涂覆的树脂层厚一致。
图7.3 液位调节系统
4）涂敷系统
零件制作过程中，当前层扫描完成后，在扫描下一层之前需要重新涂敷一层树脂。涂敷装置主要功能是在已固化表面上重新涂覆一层树脂，并且辅助液面溜平。
由于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。刮板的作用是将突起的树脂刮平，使树脂液面平滑，以保证涂层厚度均匀。采用刮板结构进行涂覆的另一个优点是可以刮除残留体积，如图7.4所示。
图7.4 涂覆系统
光固化快速成型系统的吸附式涂层机构如图7.5所示。吸附式涂层机构在刮板静止时，液态树脂在表面张力的作用下充满吸附槽。当刮板进行涂挂运动时，吸附槽中的树脂会均匀涂覆到已固化的树脂表面。此外，涂覆机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂表面因为工作台升降等产生的气泡。
5）数控系统
数控系统主要由数据处理计算机和控制计算机组成。数据处理计算机主要是对CAD模型进行面型化处理输出适合光固化成形的文件（STL格式文件），然后对模型定向切片。控制计算机主要用于X-Y扫描系统、Z方向工作台上下运动和涂敷装置的控制。
图7.5 吸附式涂层结构
6）软件系统
数据处理软件包括设备自带软件RpData和比利时Materialise公司的软件MagicsRP。软件RpData为在Windows环境下开发的具有自主版权的软件，界面友好，操作使用极其方便：比利时Materialise公司的软件MagicsRP与成形机的接口采用CU标准文件格式，此软件的功能非常完备，使得STL文件的处理方便、迅速和准确，从而提高RP加工的效率和质量。
数据处理软件具的主要功能如下：
①三维模型的可视化。在数据处理软件中可方便地观察零件的细节，并进行测量和标注。
②自动检查和修复STL文件。
③RP工作的准备功能。数据处理软件能够接收STLDXF、VDA、IGES格式文件。快速放置工具能够将多个零件快速而方便地放在平台上。底部平面功能能够快速将零件置为所需的成形角度。
④分层功能。可将STL文件模型切片，同时输出不同的文件格式，并能够快速简便地执行切片校验。
⑤支撑设计模块。能在很短的时间内自动设计支撑。支撑可选择多种形式，并且可以进行人工操作，修改支撑形状和重设支撑面。
（2）SLA成型工艺
1）SLA工作原理
光固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）技术，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（250～400 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，完成三维实体的打印工作，如图7.6所示。
图7.6 SLA工作原理图
2）具体成型过程
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，按照截面轮廓要求，沿液面进行扫描，被扫描的区域树脂固化，从而得到该截面轮廓的树脂薄片。
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；升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行相关后处理。
3）SLA技术打印材料
①光固化成型树脂的组成及固化机理
A.基于光固化成型技术（SLA）的3D打印机耗材一般为液态光敏树脂，比如光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯树脂等。光敏树脂是一类在紫外线照射下借助光敏剂的作用能发生聚合并交联固化的树脂，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。
B.齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。
C.光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定波长的光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚合物，使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而呈现为固态。光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。
D.稀释剂是一种功能性单体，结构中含有不饱和双键，如乙烯基、烯丙基等，可以调节齐聚物的黏度，但不容易挥发，且可以参加聚合。稀释剂一般分为单官能度、双官能度和多官能度。
E.照射吸收能量时，会产生自由基或阳离子，自由基或阳离子使单体和活性齐聚物活化，从而发生交联反应而生成高分子固化物。
②光固化成形材料的选择
A.目前，常用光固化成形材料的牌号与性能如表7.1所示。
表7.1 光敏聚合物牌号与性能
B.SLA型快速成型系统也采用一些树脂（表7.2）直接制作模具。这些材料在固化后有较高的硬度、耐磨性和制件精度，其价格较低。
表7.2 光敏聚合物牌号与性能
C.此外，SLA型快速成型还采用一些合成橡胶树脂（表7.3）作原材料，其中SCR 310在成形时有较小的翘曲变形。
表7.3 合成橡胶树脂的牌号与性能
③光固化成型树脂需具备的特性
A.黏度低，利于成型树脂较快流平，便于快速成型。
B.固化收缩小，固化收缩导致零件变形、翘曲、开裂等，影响成型零件的精度，低收缩性树脂有利于成型出高精度零件。
C.湿态强度高，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离。
D.溶胀小，湿态成型件在液态树脂中的溶胀造成零件尺寸偏大。
E.杂质少，固化过程中没有气味，毒性小，有利于操作环境。
④SLA树脂的收缩变形
A.树脂在固化过程中都会发生收缩，通常线收缩率约为3%。从高分子化学角度讲，光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分子结构发生很大变化，因此，固化过程中的收缩是必然的。
B.从高分子物理学方面来解释，处于液体状态的小分子之间为范德华作用力距离，而固体态的聚合物，其结构单元之间处于共价键距离，共价键距离远小于范德华力的距离，所以液态预聚物固化变成固态聚合物时，必然会导致零件的体积收缩。
⑤SLA材料的发展
A.SLA复合材料。SLA光固化树脂中加入纳米陶瓷粉末、短纤维等，可改变材料强度、耐热性能等，改变其用途，目前已经有可直接用作工具的光固化树脂。
B.SLA作为载体。SLA光固化零件作为壳体，其中添加功能性材料，如生物活性物质，高温下，将SLA烧蚀，制造功能零件。
C.其他特殊性能零件，如橡胶弹性材料。
4）SLA技术与FDM技术的区别
SLA技术与FDM技术的区别如表7.4所示。
表7.4 SLA技术与FDM技术的区别
5）SLA优缺点
在目前应用较多的几种3D打印技术中，SLA由于具有成型过程自动化程度高、制作原型精度高、表面质量好以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点，得到了较为广泛的应用。
①SLA优点
A.是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高。
B.由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，不需要切削工具与模具。
C.成型精度高（0.1 mm左右）、表面质量好。
②SLA缺点
A.SLA系统造价高昂，使用和维护成本相对过高。
B.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。
C.成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。
D.软件系统操作复杂，入门困难。
E.后处理相对烦琐。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。
6）SLA技术应用
SLA由于具有加工速度快、成型精度高、表面质量好，技术成熟等优点，在概念设计、单件小批量精密铸造、产品模型及模具等方面被广泛应用于航空、汽车、消费品、电器及医疗等领域，如图7.7所示。
图7.7 SLA的应用
就目前来看，光固化成型（SLA）技术未来将向高速化、节能环保、微型化方向发展。随着加工精度的不断提高，SLA将在生物、医药、微电子等方面得到更广泛的应用。