3D打印工艺介绍之SLA光固化成型原理及其应用（长篇干货）

维基百科记载，1984年的第一台快速成形设备采用的就是光固化立体造型工艺，现在的快速成型设备中，以SLA的研究最为深入，运用也最为广泛。今天小编就带你来了解一下SLA技术，从技术到应用市场，全面解析。

SLA在快速成型方法中使用较为广泛。它的突破性在于将传统的“去除”加工法(由毛坯去除多余部分制成零件)改进为增加加工法(由材料逐层累积形成零件)。SLA以其方便、生产周期短而在铸造、模具与塑料加工行业得到了越来越广泛的应用[1]。

SLA技术原理

SLA（Stereo lithography Appearance），即立体光固化成型法。SLA是最早实用化的快速成形技术，工艺原理如图所示。

用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，完成一个层面的绘图作业，然后升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。

因为光敏树脂材料的高粘性，在每层固化之后，液面很难在短时间内迅速流平，这将会影响实体的精度。采用刮板刮切后，所需数量的树脂便会被十分均匀地凃敷在上一叠层上，这样经过激光固化后可以得到较好的精度，使产品表面更加光滑和平整。

SLA发展历程

1986年美国博士Charles W Hull在其一篇论文中提出使用激光照射光敏树脂表面，并固化制作三维物体的概念。之后，Charles W

Hull申请相关专利。1986年便出现SLA的雏形，SLA是最早提出并实现商业应用的成型技术。

1988年，3D打印行业巨头3D Systems公司根据SLA成型技术原理制作世界上第一台SLA

3D打印机——SLA250，并将其商业化。自此，基于SLA成型技术的机型如雨后春笋，相继出现。

2012年Formlabs团队在众筹平台推出了一款基于SLA成型技术的3D打印机——Form 1，并在该平台发起众筹以筹集资金。

时至今日，研究和生产SLA技术的组织、企业、团队已然众多。国内相关机构有华中科技大学、西安交通大学、珠海西通、智垒等；国外有3D

Systems公司、EOS公司、Z Corporation、CMET公司、D-MEC公司、Teijinseiki公司、Formlabs公司等[5]。

那么，这些组织或者企业都有哪些代表性的力作呢？

3D Systems公司在SLA技术研究领域起步最早，相应生产的机型也众多，如：Projet1500、Objet500

Connex3以及在欧洲模展上推出的ProX 800等。国内有西通光固化3D打印机、铭展MBot Form1 3D打印机、ATSmake 3D打印机等。

SLA技术成型工艺

SLA成型技术的工艺过程

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；

其次，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后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面；

然后， 升降台下降一定距离， 固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型，

最后，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要求的产品。

SLA技术材料选用

1、光固化材料的应用

制作各种树脂样品或功能件，用作结构验证和功能测试；

制作精细零件；

制作有透明效果的制件；

快速模具的母模，翻制各种快速模具；

代替熔模精密铸造中的消失模用来生产金属零件。

2、光固化成形树脂需具备的特性

粘度低，利于成型树脂较快流平，便于快速成型。

固化收缩小，固化收缩导致零件变形、翘曲、开裂等，影响成型零件的精度，低收缩性树脂有利于成型出高精度零件。

湿态强度高，较高的湿态强度可以保证后固化过程不产生变形、膨胀及层间剥离。

溶涨小，湿态成型件在液态树脂中的溶涨造成零件尺寸偏大；

杂质少，固化过程中没有气味，毒性小，有利于操作环境。

3、光固化成形树脂的组成及固化机理

用于光固化快速成型的材料为液态光敏树脂，主要由齐聚物、光引发剂、稀释剂组成。

齐聚物是光敏树脂的主体，是一种含有不饱和官能团的基料，它的末端有可以聚合的活性基团，一旦有了活性种，就可以继续聚合长大，一经聚合，分子量上升极快，很快就可成为固体。

光引发剂是激发光敏树脂交联反应的特殊基团，当受到特定波长的光子作用时，会变成具有高度活性的自由基团，作用于基料的高分子聚合物，使其产生交联反应，由原来的线状聚合物变为网状聚合物，从而呈现为固态。光引发剂的性能决定了光敏树脂的固化程度和固化速度。

稀释剂是一种功能性单体，结构中含有不饱和双键，如乙烯基、烯丙基等，可以调节齐聚物的粘度，但不容易挥发，且可以参加聚合。稀释剂一般分为单官能度、双官能度和多官能度。

当光敏树脂中的光引发剂被光源(特定波长的紫外光或激光)

照射吸收能量时，会产生自由基或阳离子，自由基或阳离子使单体和活性齐聚物活化，从而发生交联反应而生成高分子固化物。

4、SLA树脂的收缩变形

树脂在固化过程中都会发生收缩，通常线收缩率约为3%。从高分子化学角度讲，光敏树脂的固化过程是从短的小分子体向长链大分子聚合体转变的过程，其分子结构发生很大变化，因此，固化过程中的收缩是必然的。

从高分子物理学方面来解释，处于液体状态的小分子之间为范德华作用力距离，而固体态的聚合物，其结构单元之间处于共价键距离，共价键距离远小于范德华力的距离，所以液态预聚物固化变成固态聚合物时，必然会导致零件的体积收缩。

5、SLA的后固化

尽管树脂在激光扫描过程中已经发生聚合反应，但只是完成部分聚合作用，零件中还有部分处于液态的残余树脂未固化或未完全固化（扫描过程中完成部分固化，避免完全固化引起的变形）

，零件的部分强度也是在后固化过程中获得的，因此，后固化处理对完成零件内部树脂的聚合，提高零件最终力学强度是必不可少的。后固化时，零件内未固化树脂发生聚合反应，体积收缩产生均匀或不均匀形变。

与扫描过程中变形不同的是，由于完成扫描之后的零件是由一定间距的层内扫描线相互粘结的薄层叠加而成，线与线之间、面与面之间既有未固化的树脂，相互之间又存在收缩应力和约束，以及从加工温度(一般高于室温)

冷却到室温引起的温度应力，这些因素都会产生后固化变形。但已经固化部分对后固化变形有约束作用，减缓了后固化变形。

6、SLA材料的发展

（1） SLA复合材料

SLA光固化树脂中加入纳米陶瓷粉末、短纤维等，可改变材料强度、耐热性能等，改变其用途，目前已经有可直接用作工具的光固化树脂；

（2） SLA作为载体

SLA光固化零件作为壳体，其中填加功能性材料，如生物活性物质，高温下，将SLA烧蚀，制造功能零件。

（3） 其它特殊性能零件，如橡胶弹性材料。

SLA 技术的优势

1、光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验。

2、由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。

3、可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。

4、使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本。

5、为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。

6、可联机操作，可远程控制，利于生产的自动化。

SLA 技术的缺陷

1、SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高。

2、SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。

3、成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。

4、预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高。

5、软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。

SLA 3D打印用途

1、SLA 在航空航天领域的应用

在航空航天领域，SLA

模型可直接用于风洞试验，进行可制造性、可装配性检验。航空航天零件往往是在有限空间内运行的复杂系统，在采用光固化成型技术以后，不但可以基于SLA

原型进行装配干涉检查，还可以进行可制造性讨论评估，确定最佳的合理制造工艺。通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术进行特殊复杂零件（如涡轮、叶片、叶轮等）的单件、小批量生产，并进行发动机等部件的试制和试验。

航空领域中发动机上许多零件都是经过精密铸造来制造的，对于高精度的木模制作，传统工艺成本极高且制作时间也很长。采用SLA工艺，可以直接由CAD

数字模型制作熔模铸造的母模，时间和成本可以得到显着的降低。数小时之内，就可以由CAD 数字模型得到成本较低、结构又十分复杂的用于熔模铸造的SLA 快速原型母模。

利用光固化成型技术可以制作出多种弹体外壳，装上传感器后便可直接进行风洞试验。通过这样的方法避免了制作复杂曲面模的成本和时间，从而可以更快地从多种设计方案中筛选出最优的整流方案，在整个开发过程中大大缩短了验证周期和开发成本。此外，利用光固化成型技术制作的导弹全尺寸模型，在模型表面表进行相应喷涂后，清晰展示了导弹外观、结构和战斗原理，其展示和讲解效果远远超出了单纯的电脑图纸模拟方式，可在未正式量产之前对其可制造性和可装配性进行检验。

2、SLA 在汽车领域的应用

现代汽车生产的特点就是产品的多型号、短周期。为了满足不同的生产需求，就需要不断地改型。对于形状、结构十分复杂的零件，可以用光固化成型技术制作零件原型，以验证设计人员的设计思想，并利用零件原型做功能性和装配性检验。

光固化快速成型技术还可在发动机的试验研究中用于流动分析。流动分析技术是用来在复杂零件内确定液体或气体的流动模式。将透明的模型安装在一简单的试验台上，中间循环某种液体，在液体内加一些细小粒子或细气泡，以显示液体在流道内的流动情况。该技术已成功地用于发动机冷却系统（气缸盖、机体水箱）、进排气管等的研究。

3、模具铸造行业应用

在铸造生产中，模板、芯盒、压蜡型、压铸模等的制造往往是采用机加工方法，有时还需要钳工进行修整，费时耗资，而且精度不高。特别是对于一些形状复杂的铸件（例如飞机发动机的叶片、船用螺旋桨、汽车、拖拉机的缸体、缸盖等），模具的制造更是一个巨大的难题。虽然一些大型企业的铸造厂也备有一些数控机床、仿型铣等高级设备，但除了设备价格昂贵外，模具加工的周期也很长，而且由于没有很好的软件系统支持，机床的编程也很困难。SLA技术等快速成型技术的出现，为铸造的铸模生产提供了速度更快、精度更高、结构更复杂的保障。

4、生物医学领域

光固化快速成型技术为不能制作或难以用传统方法制作的人体器官模型提供了一种新的方法，基于CT图像的光固化成型技术是应用于假体制作、复杂外科手术的规划、口腔颌面修复的有效方法。

5、文化艺术领域

在艺术文化领域的应用，3D打印技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等，制作创意各种艺术工艺品，动漫小人，以及创意文化产品的模型制作...

6、设计领域大规模应用

3D打印技术的出现，SLA光固化技术将设计师大脑中的一切创意设计，立刻展现出现实，比以前无法实现的创意概念实现了巨大的飞越，让设计师能快速的、低成本的制作出自己的产品、产品模型。

7、其他领域如：工业制造、配饰装饰品、家具装潢、房地产等众多领域都将迎来大规模3D打印技术应用场景,SLA技术无疑会成为3D打印众多技术中精度、品质与成本不错的选择。

SLA应用实例—3D打印心脏模型

如今已经三岁的Mina

Khan来自英国曼彻斯特地区，她出生时就患有一种很罕见的先天疾病：她心脏里的两个腔室之间出现了一个孔，而且这个孔的位置正好位于控制血液循环的两个心室之间。这一状况导致她永远都感觉很疲劳，非常容易生病，她甚至吃饭都没有力气，头发也停止了生长。医生们甚至担心，如果不进行手术，等待她的只有死亡。

而这种类型的手术通常来说是很危险的。不过幸运的是在伦敦St Thomas医院的医生们使用了光固化SLA

3D打印技术。他们用塑料打印出了小女孩微小心脏的完整复制——包括其缺陷。这种3D打印的精准模型让他们得以正确地进行必要的手术准备，最大限度地提高成功机会。最终，他们成功了。小Mina的母亲Natasha

Buckley告诉记者：“Mina现在表现得完全是一个正常的小女孩了。她能够吃饭，不再生病，而且已经开始生长。”

为了打印出Mina心脏准确的模型，St Thomas医院的Gerald

Greil医生使用了MRI扫描等一系列的断层扫描，然后将这些数据整合在一起，形成一个3D模型。对于它的作用，头外科医生David

Anderson教授说：“Mina的心脏里有一个非常复杂的洞——这种情况对于医生而言是一个巨大的挑战。而3D打印则意味着我们可以先复制出她的心脏模型，然后通过模型看看里面的这个洞到底是什么样子。这样我们在进入手术时脑子会有一个清晰的思路。”

当然，像这样的手术也有可能会在没有3D打印机的帮助下取得成功，但无疑3D打印大幅提高了它的成功率。正因如此，医学专家认为，在未来几年中，3D打印将会在医学界得到普遍应用。

结速语

SLA技术是一种新型成型方法，虽然问世不久，但已广泛应用于国民经济的许多领域，给许多行业带来了巨大的经济效益。特别是随着科技不断进步，要求制品生产周期越来越短，这为光固化快速成型的生产与发展带来一个绝好机遇。且光固化体系是绿色新技术，符合国家环保政策，将为模具、塑料等行业带来丰厚回报，其自身也将获得更大的发展。目前SLA技术在欧美、日本等发达国家应用较为广泛。我国仅一些高等院校及有关厂家在吸收消化国外技术的基础上开发出了光固化快速成型机，但不管是在质量及数量上，还是在应用领域方面，与国外相比都还有较大的差距。只有不断推广SLA技术，加以不断完善，才能在该领域赶上并超过发达国家。