深入了解立体光固化成型技术（SLA）

学习提要

理解SLA技术的成型原理；

了解SLA技术的工艺流程；

掌握SLA技术的常用材料及其特性；

了解SLA技术的优劣势，掌握其应用领域、适用范围。

学习内容

一、SLA技术概述

光固化快速成型技术，也被称为立体光刻成型，简称SLA，该技术由查尔斯·胡尔于1984年在美国获得专利，是最早发展起来的快速成型技术。自从1988年3D Systems公司最早推出SLA商品化快速成型机SLA-250以来，经过30多年的发展，SLA技术已非常成熟，在快速原型制造领域应用广泛。

二、SLA技术的成型原理

SLA技术的成型原理是在打印机液槽中盛满液态光敏树脂，激光器发出的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。一层固化完毕后，工作台下移一个层厚的距离，以便在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂，刮板将黏度较大的树脂液面刮平，然后进行下一层的扫描加工，新固化的一层牢固地黏结在前一层上，如此重复直至整个零件制造完毕，得到一个三维实体原型，如图2-20所示。

图2-20　SLA技术的成型原理

制作如图2-20所示的倒立的凸缘形状时，一般需要添加支撑，这种支撑通常为网状结构。周围没有用到的那部分液态树脂仍然是可流动的，因为它并没有在紫外线照射范围内，可以在制造中被再次利用，从而达到无废料加工。

三、SLA技术的工艺流程

SLA技术的工艺流程与FDM技术的工艺流程相同，大致可分为模型文件准备、模型修复、切片、打印、后处理5个阶段，如图2-21所示。

图2-21　SLA工艺流程

其中模型文件准备、模型修复这两项与FDM工艺流程中的内容完全一致，这里重点介绍SLA技术的切片、打印、后处理3个工艺流程。

1.切片

SLA的切片工艺中最重要也是最难的内容是模型的摆放和添加支撑。

（1）模型的摆放

模型的摆放对SLA工艺是十分重要的，不仅影响制作效率，更影响后续支撑的添加以及原型的表面质量等。因此，摆放方位的确定需要综合考虑上述各种因素。

一般情况下，从缩短原型制作时间来看，应该选择尺寸最小的方向作为叠层方向。但是，有时为了提高原型制作质量以及提高某些关键尺寸和形状的精度，需要将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放。有时为了减少支撑量，以节省材料及方便后处理，也经常采用倾斜摆放。例如，如图2-22所示，为了保证轴的圆形度和精度，选择了打印时间更长的直立摆放。同时考虑到尽可能减小支撑的批次，大端朝下摆放。

图2-22　添加支撑

（2）添加支撑

SLA工艺一定会用到支撑结构，打印的所有零件都是通过支撑结构固定在打印平台上的，支撑结构是确保SLA 3D打印件能被成功打印出来的重要因素之一。需要添加支撑的情况主要分为以下几种：

①与平台的固定支撑。

任何与平台接触的部分都需要添加支撑，防止打印件在下沉过程中漂浮在液体树脂中。此外，由于刮刀的来回刮动，若不将打印件固定在平台上或者固定不牢，都会被刮刀刮倒，导致打印失败。通常设置模型与平台的距离为5~10 mm，这一段高度将全是固定支撑。

②跨桥。

通常习惯用字母Y、H和T来表示跨桥结构，如图2-23所示。

图2-23　跨桥结构

如果倾斜的部分与水平方向角度大于45°，那么在打印此跨桥时可以不用支撑。如图2-23中字母Y所示，与水平方向的夹角为60°，因此无须支撑。而像字母T和H这种水平跨桥结构通常就必须添加支撑。当然，像T结构的单边水平延伸长度小于5 mm时，由于桥自身的承重效果，不加支撑也可以打印出来。通常H结构这种两边都有“桥墩”的结构，可打印的跨度长度是T结构的2倍。事实上，这些跨桥的临界长度值很大程度上受限于3D打印机、材料、打印参数等。因此，用跨桥的测试模型来实测3D打印机的性能就很有必要，如图2-24和图2-25所示。

图2-24　角度测试模型

图2-25　跨度测试模型

③悬空。

打印过程中，有时候在某一层会出现悬空的部分，随着打印的继续进行，悬空部分会再次与主体相连。悬空从开始出现到结束的这部分和之前固化的结构没有连在一起，如果没有支撑，将导致这一部分沉入树脂槽中，出现打印模型缺失。

通过软件的切片预览模式，可以模拟打印过程，从而识别出悬空位置，并添加支撑。例如，打印到如图2-26所示位置时，突然出现一小部分悬空，多打印几层后悬空部分与主体相连。这种悬空如果没有支撑，将导致悬空部分缺失。

图2-26　悬空部分

SLA的支撑类型很多，有点、线、块、网状、肋状、体积、轮廓、综合等。常用的支撑类型主要是点支撑、线支撑和块支撑。

点支撑：支撑与模型通过点接触，支撑强度弱，支撑效果差，多用于为模型的细小部分添加支撑。

线支撑：支撑与模型通过线接触，支撑强度中等，支撑效果较好，多用于为模型细长面添加支撑。

块支撑：支撑与模型通过面接触，支撑强度高，支撑效果好，这是用得最多的支撑类型。

注意：这里说的线接触和面接触是针对整个支撑面而言，如图2-27所示，最终的支撑与模型是通过大量的点进行接触的，方便后期去除支撑。

图2-27　块支撑效果

2.打印

打印前需检查打印机树脂缸内是否有打印残留物、树脂余量是否满足要求、打印平台是否调平、激光功率是否满足要求等，确认无误后即可开始打印。打印过程中需经常观察打印是否正常。

3.后处理

SLA的后处理工艺较多，通过后处理可以使打印件的效果更好。SLA常用的后处理工艺流程为：取件→去支撑→清洗→二次固化→打磨。

（1）取件

使用铲刀等工具将支撑和工作台分离，让零件上多余的液态树脂流入树脂槽中，取出制件，如图2-28所示。

图2-28　取件

（2）去支撑

支撑结构使得模型不会发生变形和崩塌，但支撑结构作为整体打印件不可分离的一部分，打印完成后就需要通过后处理来去除。通常，支撑与模型连接处是密集的小点，只需要人工操作就能将支撑去除（见图2-29）。较硬或者用手不易掰掉的小支撑可以先进行清洗，待支撑软化后再去除。

图2-29　去支撑

（3）清洗

因为大部分SLA打印完成的模型都是完全浸泡在液态树脂原材料中的，所以当打印模型从打印机中取出来时，模型被未固化的树脂完全覆盖，必须将其冲洗干净。由于光敏树脂易溶于纯度90%以上的酒精、丙酮和异丙醇等，因此，制件的清洗需要选择以上溶剂作为清洗液。个人通常会选择容易买到的工业酒精作为清洗液。清洗时须全程戴手套，防止酒精对皮肤造成损害。对于SLA打印服务企业来说，多采用超声波清洗机进行清洗，这是一种简单高效的方法。

（4）二次固化(www.xing528.com)

由于打印过程中为了追求打印效率，单层的树脂光照时间较短，刚打印完时，零件强度、硬度较低。可以将打印件整体放入二次固化箱中，利用大量的紫外线进行照射，提高制件的性能。固化时间通常为5~20 min。

（5）打磨

图2-30　打磨

二次固化完成后，需要使用工具去除一些结构里面残余的支撑，然后用砂纸进行打磨（见图2-30）。通常情况下对没有特殊要求的模型，只需打磨处理支撑面，去除支撑留下的痕迹即可。如需要喷漆上色，又或者要采用电镀等工艺，就需要多次反复打磨，使用从粗到细的砂纸目数，逐步使模型表面的光洁度提高，这样喷漆后的效果才会更美观。通常，打磨时需要将砂纸沾水进行打磨，这样打磨出的模型光洁度更高，效率更快。

（6）其他后处理工艺

除了以上常规的后处理工艺外，SLA制件还可以根据使用要求，增加其他后处理工艺。

①拼接。

当打印件尺寸超过打印机能打印的最大尺寸时，可以通过拆分打印件分块打印，然后再用胶水进行黏接。

②修补。

由于光敏树脂在打印过程中表面偶尔会有气泡产生，同时光敏树脂中也可能含有杂质、悬浮的支撑、打印失败的漂浮物等，这些均会给制件带来一定的缺陷。而完整的打印件尺寸较大，重新打印成本较高。这时可使用刮腻子对模型进行修补。如果对制件外观要求较高，如要求原色原状，就需要将制件修补的地方清理干净，涂上相同牌号的光敏树脂，并用专业的紫外光修补设备进行照射。

③喷漆上色。

对于需要喷漆上色的模型，要先进行打磨处理到足够的目数，一般在1 500目左右，喷漆的颜色可以用色卡来进行比对调色。对于经验丰富的后处理师傅，通常使用喷漆枪喷绘的方式进行喷漆，这种方式喷漆的效果更好。对于具备美术功底的后处理师傅，可以拿笔描绘或者用喷笔上色。

四、SLA技术的常用材料

根据光敏树脂材料的基本性能，SLA 3D打印专用材料可大体分为普通光敏树脂、铸造光敏树脂、柔性光敏树脂、生物相容性树脂。

1.普通光敏树脂

普通光敏树脂的主要优点是各方面性能适中、材料价格低廉等，适用于对材料无特殊要求的模型，如艺术作品、手板打样等，如图2-31所示。

图2-31　普通光敏树脂制作的模型

2.铸造光敏树脂

铸造光敏树脂主要应用于失蜡铸造。使用铸造光敏树脂打印的模型在高温加热燃烧后不会有残留物，因此铸造光敏树脂广泛应用于珠宝首饰和精密铸造行业。图2-32是利用铸造光敏树脂打印的蜡型。

图2-32　失蜡铸造

3.柔性光敏树脂

柔性光敏树脂是一种类似于橡胶的光敏树脂，这种树脂具有断裂伸长率高、柔韧性好、耐疲劳等优点，目前广泛应用于鞋中底打印，如图2-33所示。

图2-33　柔性光敏树脂打印的鞋中底

4.生物相容性树脂

生物相容性树脂是经过专业机构认证的生物相容性材料，其和人体皮肤、组织、器官等具有很好的相容性。生物相容性树脂可应用于牙科，打印牙科专用的牙模、手术导板、矫形器等，为病人提供更快速、精确、舒适、安全的牙科诊疗服务，如图2-34所示。

图2-34　3D打印正畸牙套

五、SLA技术的优缺点

1.SLA技术的优点

①SLA起步较早，技术工艺成熟；

②加工速度快，产品生产周期短，无须切削工具与模具；

③打印的产品尺寸精度高，表面光滑；

④打印的产品易进行喷漆、上色、电镀等后处理。

2.SLA技术的缺点

①激光系统造价高，使用和维护成本较高；

②使用的光敏树脂对温湿度敏感，工作环境要求较高；

③成型原料都为光敏树脂，强度、刚度、耐热性较差，打印件需避紫外光保存，且保存时间不长；

④打印前处理略复杂。

六、应用案例

1.打印手办

随着近几年国内3D游戏和3D动漫的迅猛发展，消费者对于游戏、动漫手办的需求越来越多，要求也越来越高。3D打印可以在较短时间内，逼真地还原角色造型，为手办的定制生产提供新的方式，如图2-35所示。

2.3D打印影视道具

3D打印在影视道具的制作上拥有大量的成功案例，尤其对于科幻类影视作品来说，虚构的大量道具很难在现实中找到，只能专门定制。3D打印可以以较低的成本，在短时间内制作出符合需求的道具，如图2-36所示。

图2-35　3D打印手办

图2-36　3D打印电影道具

七、国内外主要设备厂家

1.美国3D Systems公司

3D Systems公司成立于1983年，是全球最早的3D打印企业之一，也是SLA技术的开创者，3D打印概念的缔造者。经过30多年的发展，该公司已在SLS、SLA、SLM、3DP等多项技术上处于世界领先水平。不仅如此，公司在3D打印材料、控制软件方面也处于行业领先地位。

2.美国Form labs公司

Formlabs是生产桌面级SLA 3D打印设备的公司，其产品在全球有着低消耗、高精度、易使用的良好口碑，目前畅销世界100多个国家和地区。其生产的Form1、Form2桌面级SLA设备在国内外都拥有很高的知名度。

3.中国上海联泰科技股份有限公司

上海联泰科技股份有限公司成立于2000年，是国内较早从事3D打印技术应用的企业之一。

通过20多年来在3D打印行业的努力耕耘，联泰科技目前拥有国内较多的工业领域客户，在国内3D打印技术领域具有广泛的行业影响力和品牌知名度。代表设备见表2-1。

表2-1　联泰公司的代表设备

4.中国苏州中瑞智创三维科技股份有限公司

苏州中瑞智创三维科技股份有限公司是专业致力于工业级3D打印设备、3D打印软件、3D打印材料的研发、生产、销售和技术服务的国家高新技术企业，是中国领先的增材制造技术全系列解决方案提供商。公司以SLA技术为基础，已发展成为涵盖SLS、SLM、陶瓷打印等多项技术的高新技术企业。其代表设备如图2-37所示。

图2-37　中瑞公司的代表设备iSLA 880及iSLA 1600D