光固化成型工艺的分析及其发展前景

徐振烊　武艺　宋万林

摘要：光固化成型工艺又称立体光刻成型，是通过计算机控制紫外激光使光敏树脂固化并逐层凝固成型的快速成型工艺方法。该工艺是快速成型技术中出现最早、应用最广泛、工艺最为成熟的技术工艺。文章对光固化成型工艺的基本原理、特点及其应用进行了探讨，并对影响成型精度的因素进行了分析，进而对光固化成型工艺的发展前景提出了展望。

关键词：光固化成型工艺；光敏树脂；成型精度；发展前景 文献标识码：A

中图分类号：TP212 文章编号：1009-2374（2016）24-0035-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.017

1 概述

快速成型技术是制造业领域迅速发展的一项新兴技术，其核心是数字化、智能化、快速化、高效化，实现了随时、随地按需生产。其中光固化成型工艺由美国Charles W.Hull于1984年最早提出并获得专利，在1988年美国3D System公司最先推出商品化成型设备后得到飞速发展与应用。该工艺以光敏树脂为原料，采用材料逐层叠加原理，通过控制紫外光束，使液体光敏树脂固化成型，材料利用率接近百分之百。光固化成型工艺是一种综合集成技术，其整体性能取决于各技术分支的发展。光固化成型工艺原理简单、方法简捷，可实现对具有复杂几何形状、高加工精度要求的原型进行全自动制造成型，因而得到了广泛的应用。目前，德国EOS公司、日本CMET公司及国内西安交通大学和华中科技大学等在成型工艺上取得了一定的进展与突破。

2 光固化成型工艺的基本原理及特点

2.1 基本原理

光固化成型工艺的成型过程如图1所示。树脂槽中盛满液态光敏树脂，在控制系统的控制下，氦-镉激光器或氩离子激光器发出的特定波长与强度的紫外激光聚焦在材料表面，按零件的各分層截面信息进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层发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，工作台垂直下移一个层厚的距离，在已固化好的树脂表面再均匀地敷上一层新的液态树脂，为了保证实体精度，采用刮板对黏度较大的树脂液面进行刮切，使表面更加光滑平整，然后再进行下一层的扫描固化。新固化的树脂牢固地黏结在前一层上，如此重复直至整个零件成型完毕，得到一个三维实体原型。将实体取出，而后将多余树脂排净，去掉支撑，清洗干净，最后将实体原型放在紫外激光下整体固化。

2.2 工艺特点

2.2.1 优点。（1）自动化程度较高，基于稳定的SLA系统，加工伊始至原型制作完成的整个过程可实现全自动化成型；（2）成型尺寸精度高，SLA原型的尺寸精度可以达到±0.1mm，甚至更高；（3）优良的表面质量，可使上表面仍达到玻璃状效果；（4）模型适应性较强，可对具有复杂形状、精细尺寸的模型进行成型，特别是对一般切削刀具难以进入且内部结构复杂的模型，可顺利实现一次成型；（5）可以直接制作面向熔模精密铸造的具有中空结构的消失型；（6）制作的原型对塑料件有很强的替代性，且整个加工过程较为节能、环保；（7）整个制作过程相比传统工艺更加便捷、高效和

智能。

2.2.2 缺点。（1）制作时需要施加支撑，否则会因物理及化学反应引起制件弯曲变形；（2）液体树脂固化后制成的原型性能不及常用的工业塑料，一般较脆且易断裂，强度较差，满足不了工业制件的要求；（3）设备造价较高且需要对其进行定期的调整以使光学元件处于较为稳定的工作状态，维修使用成本高；（4）可用于固化成型的材料较为单一，目前可用的材料主要为液态光敏树脂，原料相对单一，成型件强度低，性能不稳定；（5）液态树脂有挥发性气味，具有一定的毒性，且对环境条件要求苛刻，为防止材料提前聚合，需要将其避光保存，使用及保存均有一定的局限性；（6）有些情况下需要二次固化。在很多情况下，液态树脂并未被完全固化，固化成型后的产品使用性能和尺寸稳定性有待提高，需要进行二次固化。

3 光固化成型工艺的过程及精度分析

3.1 工艺过程

光固化成型工艺一般可以分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。前处理阶段实际上是为原型的制作进行数据准备，具体内容主要是对原型的CAD模型进行数据转换、确定摆放位置、施加支撑和进行切片分层。光固化成型依赖于专用的光固化成型设备，因此在原型制作前，需要提前启动光固化成型设备系统，使得液态树脂的温度达到合理的预设温度。此外，激光器点燃后要达到稳定也需要一定的反应时间。液体光敏树脂被激光束扫描而发生聚合反应，固化成截面轮廓，而后工作台托板下降一个薄层高度，液槽中的液态树脂流过已固化的固化层，从而对新铺上的这一层液态树脂再次扫描固化，如此重复直到整个零件成型完毕。后处理主要针对原型进行清理、去除支撑、后固化以及进行相应的打磨。

3.2 精度分析

光固化成型工艺是快速成型技术中加工精度最高的成型工艺，其以制作效率高、生产周期短、材料利用率高等优势，迅速扩展到多个领域，得到了极其广泛的应用。谈及加工，必然免不了要对误差进行分析，影响光固化成型精度的误差主要包括STL格式转换误差、分层切片处理误差、机器本身误差、分层制造引起的阶梯误差、扫描振动引起的误差、光敏树脂性能引起的误差、光斑直径大小引起的误差、去除支撑引起的变形误差、主要加工参数设置误差（扫描速度、扫描间距、扫描方式与设置产生的误差以及后处理产生的误差等），其中光斑直径大小、扫描参数及光敏树脂性能等因素对成型精度影响较为明显。目前，可通过CAD模型分层、提高激光扫描器精度和改进扫描方式等来提高成型精度。尽管如此，对提高精度的方法仍需要做进一步的探索和研究。

4 光固化成型工艺的应用及发展前景

4.1 工艺应用

SLA技术集成度高、应用广泛，一改以往传统的加工模式，大大缩短了生产周期，提高了效率。该技术在制造业、医学、航空航天、材料科学与工程及文化艺术等领域均有广阔的发展应用前景。

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。通过快速熔模铸造、快速翻砂铸造等辅助技术可实现对某些复杂特殊零件的单件、小批量生产，并对发动机等部件进行试制和试验，进行流动分析。SLA除了在航空航天领域有重要应用外，在其他制造领域也有广泛的应用，如汽车领域、模具制造、电器等领域，其在铸造领域的应用为快速铸造、小批量铸造、复杂件铸造等问题提供了有效的解决方法。近年来，微光固化成型的实现，使得光固化成型技术在微机械结构是制造和研究方面有了极大的应用前景和经济价值。另外，在军工、建筑、珠宝、家电、轻工等领域也有广泛的应用。

4.2 发展前景

迄今为止，光固化成型工艺已经发展得很成熟，随之，微光固化成型技术、光掩膜法成型技术等应运而生，其与其他领域的合作也极其紧密，微光固化成型技术在生物工程等领域有着广泛的拓展与应用。

在生物医学领域，光固化成型技术可与冷冻干燥技术结合，制造出具有多种复杂微结构的肝组织工程支架，为肝脏工程支架材料微观结构的模拟提供有力参考。光固化成型工艺也为复杂的人体器官模型提供了一种新的方法，在未来器官移植等领域有着可期的前景。

5 結语

如今，光固化成型技术取得了突飞猛进的进展，对我国经济社会的发展起到了不小的拉动作用，但仍存在一定的局限性，今后需要着重提高设备精度及稳定性，寻求新的环保原材料，降低生产成本，不断开发拓展新的合作应用领域，使之得到更广泛的应用与发展，更好地服务社会，造福社会。此外，快速成型工艺制造的原型强度有待加强，这是日后急需改进完善的方面，也是科学家的重点研究对象。

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作者简介：徐振烊，山东烟台人，南昌大学本科学生，研究方向：材料成型及控制工程。

（责任编辑：黄银芳）