光固化成型工藝的分析及其發展前景

徐振烊　武藝　宋萬林

摘要：光固化成型工藝又稱立體光刻成型，是通過計算機控制紫外激光使光敏樹脂固化并逐層凝固成型的快速成型工藝方法。該工藝是快速成型技術中出現最早、應用最廣泛、工藝最為成熟的技術工藝。文章對光固化成型工藝的基本原理、特點及其應用進行了探討，并對影響成型精度的因素進行了分析，進而對光固化成型工藝的發展前景提出了展望。

關鍵詞：光固化成型工藝；光敏樹脂；成型精度；發展前景 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2016）24-0035-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.017

1 概述

快速成型技術是制造業領域迅速發展的一項新興技術，其核心是數字化、智能化、快速化、高效化，實現了隨時、隨地按需生產。其中光固化成型工藝由美國Charles W.Hull于1984年最早提出并獲得專利，在1988年美國3D System公司最先推出商品化成型設備后得到飛速發展與應用。該工藝以光敏樹脂為原料，采用材料逐層疊加原理，通過控制紫外光束，使液體光敏樹脂固化成型，材料利用率接近百分之百。光固化成型工藝是一種綜合集成技術，其整體性能取決于各技術分支的發展。光固化成型工藝原理簡單、方法簡捷，可實現對具有復雜幾何形狀、高加工精度要求的原型進行全自動制造成型，因而得到了廣泛的應用。目前，德國EOS公司、日本CMET公司及國內西安交通大學和華中科技大學等在成型工藝上取得了一定的進展與突破。

2 光固化成型工藝的基本原理及特點

2.1 基本原理

光固化成型工藝的成型過程如圖1所示。樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂，在控制系統的控制下，氦-鎘激光器或氬離子激光器發出的特定波長與強度的紫外激光聚焦在材料表面，按零件的各分層截面信息進行逐點掃描，使被掃描區域的樹脂薄層發生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層。一層固化完畢后，工作臺垂直下移一個層厚的距離，在已固化好的樹脂表面再均勻地敷上一層新的液態樹脂，為了保證實體精度，采用刮板對黏度較大的樹脂液面進行刮切，使表面更加光滑平整，然后再進行下一層的掃描固化。新固化的樹脂牢固地黏結在前一層上，如此重復直至整個零件成型完畢，得到一個三維實體原型。將實體取出，而后將多余樹脂排凈，去掉支撐，清洗干凈，最后將實體原型放在紫外激光下整體固化。

2.2 工藝特點

2.2.1 優點。（1）自動化程度較高，基于穩定的SLA系統，加工伊始至原型制作完成的整個過程可實現全自動化成型；（2）成型尺寸精度高，SLA原型的尺寸精度可以達到±0.1mm，甚至更高；（3）優良的表面質量，可使上表面仍達到玻璃狀效果；（4）模型適應性較強，可對具有復雜形狀、精細尺寸的模型進行成型，特別是對一般切削刀具難以進入且內部結構復雜的模型，可順利實現一次成型；（5）可以直接制作面向熔模精密鑄造的具有中空結構的消失型；（6）制作的原型對塑料件有很強的替代性，且整個加工過程較為節能、環保；（7）整個制作過程相比傳統工藝更加便捷、高效和

智能。

2.2.2 缺點。（1）制作時需要施加支撐，否則會因物理及化學反應引起制件彎曲變形；（2）液體樹脂固化后制成的原型性能不及常用的工業塑料，一般較脆且易斷裂，強度較差，滿足不了工業制件的要求；（3）設備造價較高且需要對其進行定期的調整以使光學元件處于較為穩定的工作狀態，維修使用成本高；（4）可用于固化成型的材料較為單一，目前可用的材料主要為液態光敏樹脂，原料相對單一，成型件強度低，性能不穩定；（5）液態樹脂有揮發性氣味，具有一定的毒性，且對環境條件要求苛刻，為防止材料提前聚合，需要將其避光保存，使用及保存均有一定的局限性；（6）有些情況下需要二次固化。在很多情況下，液態樹脂并未被完全固化，固化成型后的產品使用性能和尺寸穩定性有待提高，需要進行二次固化。

3 光固化成型工藝的過程及精度分析

3.1 工藝過程

光固化成型工藝一般可以分為前處理、原型制作和后處理三個階段。前處理階段實際上是為原型的制作進行數據準備，具體內容主要是對原型的CAD模型進行數據轉換、確定擺放位置、施加支撐和進行切片分層。光固化成型依賴于專用的光固化成型設備，因此在原型制作前，需要提前啟動光固化成型設備系統，使得液態樹脂的溫度達到合理的預設溫度。此外，激光器點燃后要達到穩定也需要一定的反應時間。液體光敏樹脂被激光束掃描而發生聚合反應，固化成截面輪廓，而后工作臺托板下降一個薄層高度，液槽中的液態樹脂流過已固化的固化層，從而對新鋪上的這一層液態樹脂再次掃描固化，如此重復直到整個零件成型完畢。后處理主要針對原型進行清理、去除支撐、后固化以及進行相應的打磨。

3.2 精度分析

光固化成型工藝是快速成型技術中加工精度最高的成型工藝，其以制作效率高、生產周期短、材料利用率高等優勢，迅速擴展到多個領域，得到了極其廣泛的應用。談及加工，必然免不了要對誤差進行分析，影響光固化成型精度的誤差主要包括STL格式轉換誤差、分層切片處理誤差、機器本身誤差、分層制造引起的階梯誤差、掃描振動引起的誤差、光敏樹脂性能引起的誤差、光斑直徑大小引起的誤差、去除支撐引起的變形誤差、主要加工參數設置誤差（掃描速度、掃描間距、掃描方式與設置產生的誤差以及后處理產生的誤差等），其中光斑直徑大小、掃描參數及光敏樹脂性能等因素對成型精度影響較為明顯。目前，可通過CAD模型分層、提高激光掃描器精度和改進掃描方式等來提高成型精度。盡管如此，對提高精度的方法仍需要做進一步的探索和研究。

4 光固化成型工藝的應用及發展前景

4.1 工藝應用

SLA技術集成度高、應用廣泛，一改以往傳統的加工模式，大大縮短了生產周期，提高了效率。該技術在制造業、醫學、航空航天、材料科學與工程及文化藝術等領域均有廣闊的發展應用前景。

在航空航天領域，SLA模型可直接用于風洞試驗，進行可制造性、可裝配性檢驗。通過快速熔模鑄造、快速翻砂鑄造等輔助技術可實現對某些復雜特殊零件的單件、小批量生產，并對發動機等部件進行試制和試驗，進行流動分析。SLA除了在航空航天領域有重要應用外，在其他制造領域也有廣泛的應用，如汽車領域、模具制造、電器等領域，其在鑄造領域的應用為快速鑄造、小批量鑄造、復雜件鑄造等問題提供了有效的解決方法。近年來，微光固化成型的實現，使得光固化成型技術在微機械結構是制造和研究方面有了極大的應用前景和經濟價值。另外，在軍工、建筑、珠寶、家電、輕工等領域也有廣泛的應用。

4.2 發展前景

迄今為止，光固化成型工藝已經發展得很成熟，隨之，微光固化成型技術、光掩膜法成型技術等應運而生，其與其他領域的合作也極其緊密，微光固化成型技術在生物工程等領域有著廣泛的拓展與應用。

在生物醫學領域，光固化成型技術可與冷凍干燥技術結合，制造出具有多種復雜微結構的肝組織工程支架，為肝臟工程支架材料微觀結構的模擬提供有力參考。光固化成型工藝也為復雜的人體器官模型提供了一種新的方法，在未來器官移植等領域有著可期的前景。

5 結語

如今，光固化成型技術取得了突飛猛進的進展，對我國經濟社會的發展起到了不小的拉動作用，但仍存在一定的局限性，今后需要著重提高設備精度及穩定性，尋求新的環保原材料，降低生產成本，不斷開發拓展新的合作應用領域，使之得到更廣泛的應用與發展，更好地服務社會，造福社會。此外，快速成型工藝制造的原型強度有待加強，這是日后急需改進完善的方面，也是科學家的重點研究對象。

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作者簡介：徐振烊，山東煙臺人，南昌大學本科學生，研究方向：材料成型及控制工程。

（責任編輯：黃銀芳）