立體光固化成型法在3D打印中的應用及前景

陳利 左騰

摘要：本文介紹了SLA立體光固化成型法的加工過程和特性，給出了其相對于其它增材制造方法的優缺點，對其當前在航空航天、汽車、醫療和模具制造等行業的應用進行了介紹，并對其未來的發展趨勢和未來應用領域進行了展望。

關鍵詞：SLA；立體光固化成型；增材制造

SLA立體光固化成型法，英文全稱叫“Stereo lithography Appearance”，它的原理是用一種限定的波長與強度的激光聚焦到光固化材料的表面，使之按照一定的順序凝固，完成一個截面的形狀，然后在垂直方向上移動到下一個層面，再固化下一個截面，這樣一個截面一個截面的往下固化，直到最終完成整改三維實體模型為止。

在當前應用較多的幾種3D打印的工藝方法中，光固化成型由于具有高度成型過程自動化、產品模型表面質量好、高精度以及能夠實現比較精細的尺寸成型等特點，使之在當前各工業生產領域有著較為廣泛的應用。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于航空、汽車、電器、消費品以及醫療等行業。

一、當前立體光固化成型法的應用

（一）SLA在航空航天領域的應用

在航空航天領域，SLA模型可用于一些必要的可靠性試驗與環境測試，如：風洞試驗、零件的可裝配性檢驗、人機工程測試等。運用在航空航天領域的零件與我們日常生活中所接觸到的零件有很大的不同，對其重量、結構的可靠性以及精密性要求也嚴格得多。在采用光固化成型技術以后，可以通過SLA模型進行前期的裝配，以便檢測個零件之間的配合度，是否有干涉、零件裝不上去等現象。通過此技術還可以對一些復雜的結構零件進行加工制造討論評估，制定最佳的加工工藝流程，對前期復雜零件小批量生產開發、反復測試、修改來說，可以提高效率、節約零件的開發成本。

航空航天領域中發動機上許多零件都是經過精密鑄造來制造的，對于高精度的木模制作，傳統工藝成本極高且制作時間也很長。采用SLA 工藝，可以直接由CAD 數字模型制作熔模鑄造的母模，時間和成本可以得到顯著的降低。數小時之內，就可以由CAD 數字模型得到成本較低、結構又十分復雜的用于熔模鑄造的SLA 快速原型母模。

（二）SLA在其他制造領域的應用

光固化成型技術不只在航空航天領域起到了非常重要的作用，在其他的一些傳統的制造加工領域也有著非常廣泛的應用，如在船舶、汽車、模具制造等領域也有著重要的應用。下面就光固化快速成型技術在汽車領域和制造加工領域做一些簡單的介紹。

在汽車領域，現代汽車生產的特點是產品生產周期短，型號多，為了適應不同的客戶群體，一款汽車在生產定型后，還需要根據市場的需求不斷的改進調整，但是不可能每一次的改進調整都直接投入生產，這樣帶來的風險是很大的，而且成本也高。雖然現在很多內容都可以在計算機上用電腦進行仿真分析，但是在實際研發的過程中仍然需要做出實物模型，可以直觀的驗證實物與模型之間的差距以及人機工程的合理性，對于一些結構特別復雜的零件，如發動機艙，可以采用光固化成型技術制作零件原型，用來驗證設計的合理性。

發動機一直都是一個復雜的機構，而且對于發動機內倉的檢測一直都比較復雜。采用光固化成型技術可以有效的檢測發動機艙的液體的流動走向，確保發動機艙的冷卻液能到全程循環流通。利用光固化成型技術可以很容易的制造出透明的發動機模型，然后在模型艙內注入某種循環液體，液體中加入一些細小顆?；驓馀?，就能很直觀的看到流道內液體的走向。該檢測技術最關鍵的問題是透明模型的制造，如果采用傳統的方法來制造，花費大且不精確，而用SLA技術結合CAD 造型僅僅需要4～5 周的時間，且花費只為之前的1/3，制作出的透明模型能完全符合機體水箱和氣缸蓋的CAD 數據要求，模型的表面質量也能滿足要求。

二、光固化成型技術的研究進展

光固化成型技術自問世以來，在制造領域產生了巨大的影響，目前已經成為工業制造領域關注的焦點。該技術制作精度能夠達到大多數工業產品的要求，而且性能可靠，成本較低，因此該技術一直成為國內外眾多學者研究的熱點。目前，有部分研究者通過對產品產性參數、成型方式以及材料等方面的因素進行分析，提出了一系列的改進，這些仿佛有效的提高了光固化原型的制造精度，有效的減小了零件的變形，降低了殘余應力。到今天為止，光固化快速成型技術已經發展比較成熟。各類新的成型工藝不斷出現并應用，推進了這一技術在實際工業生產中的應用。下面工微光固化快速成型技術和生物醫學兩方面對SLA技術的應用做一個基本的介紹。

（一）微光固化快速成型制造技術

目前，傳統的SLA設備成型精度可達到±0.1mm，對于一般的工業產品可以很好的滿足要求，到時在生物工程和微電子領域是遠遠不夠的，這種領域要求制造的結構都是以納米級的為單位。很明顯傳統的SLA工藝技術基本上無法滿足這一要求。然而，在最進幾年里，微生物和微電子領域發展迅速，使得這些微機械結構有了巨大的研究價值和應用市場。因此，在20世紀80年代，提出了微光固化快速成型μ-SL（Micro Stereolithography），此技術是在傳統的SLA技術上，針對微機械結構的制造提出的一種新型快速成型方法，經過30多年的努力研究，這一技術已經有了一定的發展，并在某些領域已經開始應用。

（二）生物醫學領域

在生物醫學領域，光固化快速成型技術可以為一些通過常規方法無法制造的復雜的人體器官制造模型。基于CT圖像的光固化成型技術是應用于假體制作、復雜外科手術的規劃、口腔頜面修復的有效方法。目前在生命科學研究的前沿領域出現的一門新的交叉學科—組織工程是光固化成型技術非常有前景的一個應用領域?；赟LA技術可以制作具有生物活性的人工骨支架，該支架具有很好的機械性能和與細胞的生物相容性，且有利于成骨細胞的黏附和生長。

三、結語

當前3D打印等增材制造工藝作為未來工業加工、生產的趨勢，SLA立體光固化成型法作為其中一種較為成熟的工藝已經在當前的各工業及醫療領域中有著廣泛的應用，具有成熟度高、加工速度快、產品生產周期短、高度自動化等優點，但當前仍有很多限制和不足。未來立體光固化成型技術將向高精細化、多種可加工材料及微光固化成型發展，并將在工業制造和生物醫學等領域有著更為廣泛的應用。

【參考文獻】

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