立體光固化成型法在3D打印中的應(yīng)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(yōu)缺點，對其當(dāng)前在航空航天、汽車、醫(yī)療和模具制造等行業(yè)的應(yīng)用進行了介紹，并對其未來的發(fā)展趨勢和未來應(yīng)用領(lǐng)域進行了展望。

關(guān)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(dāng)前應(yīng)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(chǎn)品模型表面質(zhì)量好、高精度以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細的尺寸成型等特點，使之在當(dāng)前各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。在概念設(shè)計的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電器、消費品以及醫(yī)療等行業(yè)。

一、當(dāng)前立體光固化成型法的應(yīng)用

（一）SLA在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，SLA模型可用于一些必要的可靠性試驗與環(huán)境測試，如：風(fēng)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(lǐng)域的零件與我們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|到的零件有很大的不同，對其重量、結(jié)構(gòu)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(shù)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(xiàn)象。通過此技術(shù)還可以對一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)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(fù)雜零件小批量生產(chǎn)開發(fā)、反復(fù)測試、修改來說，可以提高效率、節(jié)約零件的開發(fā)成本。

航空航天領(lǐng)域中發(fā)動機上許多零件都是經(jīng)過精密鑄造來制造的，對于高精度的木模制作，傳統(tǒng)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(shù)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(shù)小時之內(nèi)，就可以由CAD 數(shù)字模型得到成本較低、結(jié)構(gòu)又十分復(fù)雜的用于熔模鑄造的SLA 快速原型母模。

（二）SLA在其他制造領(lǐng)域的應(yīng)用

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

在汽車領(lǐng)域，現(xiàn)代汽車生產(chǎn)的特點是產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，型號多，為了適應(yīng)不同的客戶群體，一款汽車在生產(chǎn)定型后，還需要根據(jù)市場的需求不斷的改進調(diào)整，但是不可能每一次的改進調(diào)整都直接投入生產(chǎn)，這樣帶來的風(fēng)險是很大的，而且成本也高。雖然現(xiàn)在很多內(nèi)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(fā)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(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的零件，如發(fā)動機艙，可以采用光固化成型技術(shù)制作零件原型，用來驗證設(shè)計的合理性。

發(fā)動機一直都是一個復(fù)雜的機構(gòu)，而且對于發(fā)動機內(nèi)倉的檢測一直都比較復(fù)雜。采用光固化成型技術(shù)可以有效的檢測發(fā)動機艙的液體的流動走向，確保發(fā)動機艙的冷卻液能到全程循環(huán)流通。利用光固化成型技術(shù)可以很容易的制造出透明的發(fā)動機模型，然后在模型艙內(nèi)注入某種循環(huán)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(nèi)液體的走向。該檢測技術(shù)最關(guān)鍵的問題是透明模型的制造，如果采用傳統(tǒng)的方法來制造，花費大且不精確，而用SLA技術(shù)結(jié)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(shù)據(jù)要求，模型的表面質(zhì)量也能滿足要求。

二、光固化成型技術(shù)的研究進展

光固化成型技術(shù)自問世以來，在制造領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響，目前已經(jīng)成為工業(yè)制造領(lǐng)域關(guān)注的焦點。該技術(shù)制作精度能夠達到大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品的要求，而且性能可靠，成本較低，因此該技術(shù)一直成為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點。目前，有部分研究者通過對產(chǎn)品產(chǎn)性參數(shù)、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(yīng)力。到今天為止，光固化快速成型技術(shù)已經(jīng)發(fā)展比較成熟。各類新的成型工藝不斷出現(xiàn)并應(yīng)用，推進了這一技術(shù)在實際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。下面工微光固化快速成型技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)兩方面對SLA技術(shù)的應(yīng)用做一個基本的介紹。

（一）微光固化快速成型制造技術(shù)

目前，傳統(tǒng)的SLA設(shè)備成型精度可達到±0.1mm，對于一般的工業(yè)產(chǎn)品可以很好的滿足要求，到時在生物工程和微電子領(lǐng)域是遠遠不夠的，這種領(lǐng)域要求制造的結(jié)構(gòu)都是以納米級的為單位。很明顯傳統(tǒng)的SLA工藝技術(shù)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(lǐng)域發(fā)展迅速，使得這些微機械結(jié)構(gòu)有了巨大的研究價值和應(yīng)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(shù)是在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)上，針對微機械結(jié)構(gòu)的制造提出的一種新型快速成型方法，經(jīng)過30多年的努力研究，這一技術(shù)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，并在某些領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用。

（二）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光固化快速成型技術(shù)可以為一些通過常規(guī)方法無法制造的復(fù)雜的人體器官制造模型。基于CT圖像的光固化成型技術(shù)是應(yīng)用于假體制作、復(fù)雜外科手術(shù)的規(guī)劃、口腔頜面修復(fù)的有效方法。目前在生命科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域出現(xiàn)的一門新的交叉學(xué)科—組織工程是光固化成型技術(shù)非常有前景的一個應(yīng)用領(lǐng)域。基于SLA技術(shù)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(jié)語

當(dāng)前3D打印等增材制造工藝作為未來工業(yè)加工、生產(chǎn)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(jīng)在當(dāng)前的各工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，具有成熟度高、加工速度快、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、高度自動化等優(yōu)點，但當(dāng)前仍有很多限制和不足。未來立體光固化成型技術(shù)將向高精細化、多種可加工材料及微光固化成型發(fā)展，并將在工業(yè)制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻】

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