立体光固化（SL）快速成形工艺

Technology

1. 立体光固化工艺原理

立体光固化， 又称立体光刻、光成形等， 它是采用激光逐层逐点照射于液态光敏树脂， 使之固化以成形原型的快速成形技术。立体光固化工艺是美国的C. Hull 于1986 年研制成功的， 1987 年获美国专利，称为SL （StereoLithography） 工艺， 1988 年美国3DSystems 公司推出第一台商用样机SLA—1 （Stereo-Lithography Apparatus—1）。

立体光固化是基于光敏树脂的光聚合作用的成形工艺。光敏树脂是由感光性预聚物、感光性单体、光反应引发剂、增感剂、热聚合阻聚剂、非感光性聚合物、溶剂及各种添加剂组成的液体高分子材料， 它可接受一定波长范围的射线能量， 通过发生光聚合反应而固化。不同类型的光敏树脂可以在γ 射线、X 射线、紫外线（UV）、电子束甚至是可见光的照射下固化。目前用于立体光固化工艺中的光敏树脂主要为紫外线固化树脂。

实际上， 经常应用于光引发聚合反应的类型通常为自由基聚合和阳离子聚合， 或两种聚合反应同时存在。就聚合的基元反应来说， 两种聚合反应的过程是相同的， 均包括链引发， 链增长（或转移）， 链终止三个阶段， 但由于两种聚合反应的聚合活性中心不同，其过程特征有很大区别。

立体光固化工艺的基本原理:树脂槽中储存了一定量的光敏树脂， 由液面控制系统使液体上表面保持在固定的高度， 紫外激光束在振镜控制下按预定路径在树脂表面上扫描。扫描的速度和轨迹及激光的功率、通断等均由计算机控制， 激光扫描之处的光敏树脂由液体转变为固态， 从而形成具有一定形状和强度的层片； 扫描固化完一层后， 未被照射的地方仍是液态树脂， 然后升降台带动加工平台下降一个层厚的距离， 通过涂层机构使已固化表面重新充满树脂， 然后进行下一层固化， 新固化的一层粘结在前一层上， 如此重复直至固化完所有层片， 这样层层叠加起来即可获得所需形状的三维实体。
完成的零件从工作台取下后， 有4% 的体积仍是液态（根据3D Systems 公司的WEAVETM扫描方式）。
为了让零件完全固化， 可以将其置于阳光下， 或者专门的紫外光容器中进行照射。最后， 可以对零件进行打磨或者上漆， 以提高其表面质量。
SL 工艺中， 零件成形时对斜度超过一定角度的面或者由于离散造成与本体分离的部分， 必须加以支撑。熔融沉积制造等RP 工艺， 亦需要添加支撑。

2. 立体光固化工艺的特点

立体光固化作为一种快速成形技术， 亦是基于离散-堆积成形原理。与其他快速成形工艺一样， 它也是先制作零件的每一层层片形状， 然后将所有层片逐层叠加获得三维实体。但是， 由于在制作层片时的成形特点不同， 立体光固化工艺具有一些独特之处。

（1） 成形精度高 由于立体光固化的扫描机构通常采用振镜扫描头， 光点的定位精度和重复精度非常高， 成形时扫描路径与零件实际截面的偏差很小。另一方面， 激光光斑的聚焦半径也可以做到很小， 目前最小的光斑可以做到25μm， 所以与其他快速成形工艺相比， 立体光固化工艺的成形细节的能力非常好。

（ 2） 成形速度快 离散-堆积成形过程中， 材料的离散与其堆积是一对矛盾， 离散得越细小， 精度越高， 但成形速度越慢。可见在减小光斑直径和层厚的同时必须极大地提高激光光斑的扫描速度。美国、日本、德国和我国的商品化设备均采用振镜系统（两面振镜） 来控制激光束在焦平面上的平面扫描。325 ～355nm 的紫外激光热效应很小， 无须镜面冷却系统， 轻巧的振镜系统可保证激光束获得极大的扫描速度， 加之功率强大的半导体激励固体激光器（其功率在1000mW 以上） 使目前商品化的立体光固化成形机最大扫描速度可达10m/ s 以上。以如此高的
扫描速度进行扫描， 其扫描轨迹已呈现出一种面投影图案， 使各点固化极其均匀和同步。采用上述技术措施的新型SLA—7000 设备比SLA—5000 平均成形速度提高了4 倍。我国的Auro-350 设备也属高速扫描SL 系列。

（3） 扫描质量好 现代高精度的焦距补偿系统可以实时地根据平面扫描光程差来调整焦距， 保证在较大的成形扫描平面（600mm ×600mm） 内具有很高的聚焦质量， 任何一点的光斑直径均限制在要求的范围内， 较好地保证了扫描质量。

（4） 成形件表面质量好 由于成形时加工工具与材料不接触， 成形过程中不会破坏成形表面或在上面残留多余材料， 因此光固化工艺成形的零件表面质量很高。另一方面， 光固化成形能采用的分层厚度非常小， 目前光固化工艺能实现的最小层厚为2. 5μm，因而成形零件的台阶效应非常小， 成形件表面质量非常高。

（ 5） 成形过程中需要添加支撑 由于光敏树脂在固化前为液态， 所以成形过程中， 对于零件的悬臂部分和最初的底面都需要添加必要的支撑。支撑既需要有足够的强度来固定零件本体， 又必须便于去除。由于支撑的存在， 零件的下表面质量通常都差于没有支撑的上表面。

（6） 成形成本较高 立体光固化快速成形机中的紫外线固体激光器和扫描振镜等组件其价格都比较昂贵， 从而导致设备的成本高。另一方面， 成形材料光敏树脂的价格也非常高， 所以与熔融挤压成形、叠层实体制造、激光选区烧结等快速成形工艺相比， 立体光固化工艺的成形成本要高得多。但与同样采用激光器的叠层实体制造、激光选区烧结等设备相比较，立体光固化成形设备的结构与系统较简单。振镜扫描系统既简单高效又十分可靠， 在高速运行下无振动；采用SL 工艺的系列设备的升降台和刮平系统与叠层实体制造设备的加热、加压、纸材输入—输出系统、升降台和测高系统相比也具有简单可靠的优点。