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1、3D打印模块三3D打印成型技术学习单元一光固化快速成型技术学习单元一一、光固化快速成型概述光固化快速成型即立体光固化成型（SLA），属于液态树脂光固化成型这一大类。SLA 用的是紫外光源，其耗材一般为液态光敏树脂。世界上第一台3D 打印机采用的是SLA 工艺，该技术最早由美国麻省理工学院的Charles Hull 在1986 年研制成功，并于1987 年获得专利。SLA 是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的3D 打印技术，Hull 由此于1986 年创办了3D Systems 公司。SLA 的材料是液态的，不存在颗粒的东西，因此可以做得很精细，不过它的材料比SLS 贵得多，目前用于打印薄壁的
2、、精度较高的零件，适用于制作中小型工件，能直接得到塑料产品。学习单元一二、光固化快速成型的工作原理SLA 技术采用液态光敏树脂原料，其工艺过程是：首先通过CAD 设计出三维实体模型，利用离散程序将模型进行切片处理，设计扫描路径，产生的数据将精确控制激光扫描器和升降台的运动；激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化，当一层加工完毕后，生成零件的一个截面。然后，升降台下降一定高度，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地黏结在前一固化层上。这样一层层叠加就形成了三维工件原型，如图3-1 所示。学习单元一二、光固化
3、快速成型的工作原理将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到满足要求的产品。即得到满足要求的产品。具体的工作步骤如下：（1）将液态的光敏树脂材料注满打印池。（2）打印平台升起，直到距离液体表面一个层厚的位置时停下。（3）水平刮板沿固定方向移动，将液体表面刮成水平面。（4）激光器生成激光束，通过透镜进行聚焦后照射在偏振镜上，此时偏振镜根据切片截面路径自动产生偏移，这样光束就会持续地依照模型数据有选择性地扫描在液面，由于树脂的光敏特性，被照射到的液态树脂逐渐固化。（5）在固化完成后，打印平板自动降低一个
4、固定的高度，水平刮板再次将液面刮平，激光再次照射固化，如此反复，直至整个模型打印完成。学习单元一三、光固化快速成型的特点光固化快速成型的优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高、结构复杂的小尺寸工件。在使用光固化快速成型的工业级3D 打印机领域，比较著名的是Object 公司。该公司为SLA 3D 打印机提供100 种以上的感光材料，是目前支持材料最多的3D 打印设备。同时，Object 系列打印机支持的最小层厚已达16 m在所有3D 打印技术中，SLA 打印成品具备最高的精度、最好的表面光洁度等优势。学习单元一三、光固化快速成型的特点但是光固化快速成型也有两个不足。首先，光敏树
5、脂原料具有一定的毒性，操作人员在使用时必须采用防护措施。其次，光固化快速成型的成品在整体外观方面表现非常好，但是其材料强度方面尚不能与真正的制成品相比，这在很大程度上限制了该技术的发展，使得其应用领域限制于原型设计验证方面，后续需要通过一系列处理工序才能将其转化为工业级产品。此外，SLA 技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于熔融沉积成型（FDM）等技术。因此，基于SLA 技术的3D 打印机主要应用于专业领域，桌面级应用尚处于启动阶段，相信不久的将来会有更多低成本的SLA 桌面3D 打印机面世。学习单元一三、光固化快速成型的特点1.SLA 1.SLA 技术的优势技术的优势具体来讲，SLA
6、 技术的优势主要有以下几个方面：（1）SLA 技术出现时间早，经过多年的发展，技术成熟度高。（2）打印速度快，光敏反应过程便捷，产品生产周期短，无须切削工具与模具。（3）打印精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可达到每层厚度0.05 0.15 mm，可打印外形结构复杂或传统技术难以制作的原型和模具。（4）上位机软件功能完善，可联机操作及远程控制，有利于生产的自动化。学习单元一三、光固化快速成型的特点2.SLA 2.SLA 技术的缺陷技术的缺陷相比其他打印技术而言，SLA 技术的主要缺陷有以下几个方面。（1）SLA 设备普遍价格高昂，使用和维护成本很高。（2）需要对毒性液体进行精密操作，
7、对工作环境要求苛刻。（3）可以使用的材料有限并且不能多色成型，可使用的材料多为树脂类，使得打印成品的强度、刚度及耐热性能都非常有限，并且不利于长时间保存。（4）由于树脂固化过程中会产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变，因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。（5）核心技术被少数公司所垄断，技术和市场潜力未能全部被挖掘。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展当前当前SLA SLA 技术的进展主要体现在以下几个方面：技术的进展主要体现在以下几个方面：1.1.软件技术软件技术随着越来越多的原型要在快速成型机上加工，RP 软件的性能在提高工作效率、保证加工精度等方面变得越来越重要
8、。因为虽然快速成型机的加工过程是自动进行的，不需要人工干预，但RP 的数据处理却要由人来完成，特别是由于目前通行的STL 文件总存在这样那样的问题。当操作员手中有大量的原型要在短时间内加工出来时，数据处理就成了瓶颈，并且稍有疏漏，可能导致一批零件的加工失败。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展数据处理软件应具备如下基本功能：（1）STL 文件的修补。（2）多个加工文件的定位、定向。（3）支撑设计。（4）切片操作。成型机生产厂商自行开发的数据处理软件已很难满足要求，一些通用的RP 软件应运而生，其中最著名的是比利时Materialise 公司开发的Magics RP。学习单元一四、光固化快
9、速成型技术的最新进展2.2.激光技术的进步使成型速度大幅度提升激光技术的进步使成型速度大幅度提升RP 技术走出实验室后，就必须不断提高成型速度，才能逐步符合“快速”二字。从设备的角度而言，激光功率是影响成型速度的主要因素。光固化的成型速度一般用每小时成型的原型质量来衡量。初期采用325 nm 的氦镉激光器的光固化成型设备激光功率较低（50 mW 左右），一般的成型速度为20 30 g/h。351 nm 的氩离子紫外激光器虽然能输出较高功率的激光，但却有体积大，对水、电需求严格等缺点。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展3.3.成型材料的进展成型材料的进展对于光固化快速成型设备来说，光敏树
10、脂材料是至关重要的，目前进口材料已解决了收缩变形的问题，向性能多样化、功能材料方向发展。光固化材料供应商主要有DSM Somos、VANTICO、RPC 等公司。以DSM Somos 公司为例，该公司提供多种型号的光敏树脂材料，能满足多种需求。例如，Somos 11120 是一种低黏度的光敏树脂，固化后的性能类似于ABS 塑料，并且燃烧后残留灰分很少，特别适合于消失模铸造。学习单元一四、光固化快速成型技术的最新进展4.4.稳定性、加工质量和效率不断提高稳定性、加工质量和效率不断提高成型机电控制系统不断完善，使稳定性、加工质量和效率不断提高。在光固化快速成型工艺过程中，局部的加工缺陷会造成整个加
11、工过程的失败，具有天然的脆弱性，因而设备的稳定性至关重要。提高设备的稳定性要从光、机、电、软件各部分着手。上海联泰的最新光固化快速成型设备采用先进的真空吸附涂层系统，使得大平面的涂层可靠性大大提高，并且完全消除了气泡，整个涂层时间也大大缩短；成型机的电气系统采用PLC 控制，稳定性和可靠性得到保证；控制软件可根据激光功率的变化自动调节工艺参数，因而整机性能得到大幅提升。学习单元一五、光固化快速成型技术的应用与展望因为快速成型符合加工过程数字化这一潮流，因此从长远来讲，它必将从原型的加工转变成产品的加工，并可能成为未来一个主要的3D 打印加工手段。在未来几年内，3D 打印设备技术会出现一个相对的
12、平稳阶段，发展主要体现在生产效率的提高和材料的改进上。随着人们对RP 的不断了解，各种RP 工艺将在最适合自己的领域内发挥自己的作用。作为RP 百花园中的一朵“奇葩”，光固化快速成型以其出色的精度，在非金属材料的高端快速成型领域内将继续领先。学习单元一六、数字光处理技术概述数字光处理（digital light processing，DLP）技术也属于液态树脂光固化成型这一大类。DLP 技术和SLA 技术比较相似，它使用高分辨率的数字处理器投影仪来固化液态聚合物，逐层进行光固化。由于每次成型一个面，因此在理论上也比同类的SLA 快得多。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面粗糙度方面可媲美注
13、塑成型的耐用塑料部件。DLP 技术利用投射原理成型，无论工件大小都不会改变成型速度。此外，DLP 技术不需要激光头去固化成型，而是使用极为便宜的灯泡照射。整个系统没有喷射部分，所以不存在传统成型系统喷头堵塞的问题，大大降低了维护成本。学习单元二选择性激光烧结技术学习单元二一、选择性激光烧结技术概述选择性激光烧结（SLS）技术最早由美国人Carl Dechard 于1989 年提出，美国DTM公司于1992 年推出了该工艺的商业化生产设备。选择性激光烧结技术成型原理最为复杂，成型条件最高，是设备及材料成本最高的3D 打印技术，但也是目前对3D 打印技术发展影响最为深远的技术。目前，SLS 技术材
14、料可以是尼龙、蜡、陶瓷、金属等，成型材料的种类多元化。目前，我国在RP 成型系统、SLS 成型机、金属粉末及烧结理论、扫描路径等方面取得了许多重大成果。学习单元二二、SLS 工艺原理SLS 技术使用的是粉状材料，从理论上讲，任何可熔的粉末都可以用来制造模型，而且制造出的模型可以用作真实的原型元件。粉末材料选择性烧结采用二氧化碳激光器对粉末材料进行选择性烧结，是一种由离散点一层层堆集成三维实体的工艺方法。在开始加工前，先将充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成型时，送料筒上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结
15、，使粉末熔化，继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层烧结。如此循环，形成三维的原型零件。最后经过5 10 h 冷却，即可从粉末缸中取出零件。未经烧结的粉末能承托正在烧结的工件，当烧结工序完成后，取出零件。学习单元二二、SLS 工艺原理如图3-2 所示，工作时粉末缸活塞上升，由铺粉滚筒将粉末均匀地在成型缸活塞（工作活塞）上铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。在烧结前，整个工作台被加热至稍低于粉末熔化温度，以减少热变形，并利于与前一层的结合。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚
16、，铺粉系统铺设新粉，控制激光束扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，就得到三维零件。学习单元二二、SLS 工艺原理具体来说，其工作过程可概括为以下几个步骤（图具体来说，其工作过程可概括为以下几个步骤（图3-33-3）：）：（1）粉末颗粒存储在左侧的供粉仓内，打印时，供粉仓升降平台向上升起，将高于打印平面的粉末通过铺粉滚筒推压至打印平板上，形成一个很薄的粉层。（2）此时，激光束扫描系统会依据切片的二维CAD 路径在粉层上选择性扫描，被扫描到的粉末颗粒会由于激光焦点的高温而烧结在一起，生成具有一定厚度的实体薄片，未扫描的区域仍然保持原来的松散粉末状。（3）一层烧结完成后，打印平台根据切片高度下降，水平滚筒再次将粉末铺平，然后开始新一层的烧结，此时层与层之间也同步地烧结在一起。（4）如此反复，直至烧结完所有层面。移除并回收未被烧结的粉末，即可取出打印好的实体模型。学习单元二三、典型SLS 设备与原料SLS 设备（图3-4）主要由机械系统、光学系统和计算机控制系统组成。机械系统和光学系统在计算机控制系统的控制下协调工作，自动完成制件的加工成型。机械系统主要由机架、工作平台、铺粉机构、两个活塞缸
