立体光固化成型法在3D打印中的应用及前景

陈利 左腾

摘要：本文介绍了SLA立体光固化成型法的加工过程和特性，给出了其相对于其它增材制造方法的优缺点，对其当前在航空航天、汽车、医疗和模具制造等行业的应用进行了介绍，并对其未来的发展趋势和未来应用领域进行了展望。

关键词：SLA；立体光固化成型；增材制造

SLA立体光固化成型法，英文全称叫“Stereo lithography Appearance”，它的原理是用一种限定的波长与强度的激光聚焦到光固化材料的表面，使之按照一定的顺序凝固，完成一个截面的形状，然后在垂直方向上移动到下一个层面，再固化下一个截面，这样一个截面一个截面的往下固化，直到最终完成整改三维实体模型为止。

在当前应用较多的几种3D打印的工艺方法中，光固化成型由于具有高度成型过程自动化、产品模型表面质量好、高精度以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点，使之在当前各工业生产领域有着较为广泛的应用。在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于航空、汽车、电器、消费品以及医疗等行业。

一、当前立体光固化成型法的应用

（一）SLA在航空航天领域的应用

在航空航天领域，SLA模型可用于一些必要的可靠性试验与环境测试，如：风洞试验、零件的可装配性检验、人机工程测试等。运用在航空航天领域的零件与我们日常生活中所接触到的零件有很大的不同，对其重量、结构的可靠性以及精密性要求也严格得多。在采用光固化成型技术以后，可以通过SLA模型进行前期的装配，以便检测个零件之间的配合度，是否有干涉、零件装不上去等现象。通过此技术还可以对一些复杂的结构零件进行加工制造讨论评估，制定最佳的加工工艺流程，对前期复杂零件小批量生产开发、反复测试、修改来说，可以提高效率、节约零件的开发成本。

航空航天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著的降低。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。

（二）SLA在其他制造领域的应用

光固化成型技术不只在航空航天领域起到了非常重要的作用，在其他的一些传统的制造加工领域也有着非常广泛的应用，如在船舶、汽车、模具制造等领域也有着重要的应用。下面就光固化快速成型技术在汽车领域和制造加工领域做一些简单的介绍。

在汽车领域，现代汽车生产的特点是产品生产周期短，型号多，为了适应不同的客户群体，一款汽车在生产定型后，还需要根据市场的需求不断的改进调整，但是不可能每一次的改进调整都直接投入生产，这样带来的风险是很大的，而且成本也高。虽然现在很多内容都可以在计算机上用电脑进行仿真分析，但是在实际研发的过程中仍然需要做出实物模型，可以直观的验证实物与模型之间的差距以及人机工程的合理性，对于一些结构特别复杂的零件，如发动机舱，可以采用光固化成型技术制作零件原型，用来验证设计的合理性。

发动机一直都是一个复杂的机构，而且对于发动机内仓的检测一直都比较复杂。采用光固化成型技术可以有效的检测发动机舱的液体的流动走向，确保发动机舱的冷却液能到全程循环流通。利用光固化成型技术可以很容易的制造出透明的发动机模型，然后在模型舱内注入某种循环液体，液体中加入一些细小颗粒或气泡，就能很直观的看到流道内液体的走向。该检测技术最关键的问题是透明模型的制造，如果采用传统的方法来制造，花费大且不精确，而用SLA技术结合CAD 造型仅仅需要4～5 周的时间，且花费只为之前的1/3，制作出的透明模型能完全符合机体水箱和气缸盖的CAD 数据要求，模型的表面质量也能满足要求。

二、光固化成型技术的研究进展

光固化成型技术自问世以来，在制造领域产生了巨大的影响，目前已经成为工业制造领域关注的焦点。该技术制作精度能够达到大多数工业产品的要求，而且性能可靠，成本较低，因此该技术一直成为国内外众多学者研究的热点。目前，有部分研究者通过对产品产性参数、成型方式以及材料等方面的因素进行分析，提出了一系列的改进，这些仿佛有效的提高了光固化原型的制造精度，有效的减小了零件的变形，降低了残余应力。到今天为止，光固化快速成型技术已经发展比较成熟。各类新的成型工艺不断出现并应用，推进了这一技术在实际工业生产中的应用。下面工微光固化快速成型技术和生物医学两方面对SLA技术的应用做一个基本的介绍。

（一）微光固化快速成型制造技术

目前，传统的SLA设备成型精度可达到±0.1mm，对于一般的工业产品可以很好的满足要求，到时在生物工程和微电子领域是远远不够的，这种领域要求制造的结构都是以纳米级的为单位。很明显传统的SLA工艺技术基本上无法满足这一要求。然而，在最进几年里，微生物和微电子领域发展迅速，使得这些微机械结构有了巨大的研究价值和应用市场。因此，在20世纪80年代，提出了微光固化快速成型μ-SL（Micro Stereolithography），此技术是在传统的SLA技术上，针对微机械结构的制造提出的一种新型快速成型方法，经过30多年的努力研究，这一技术已经有了一定的发展，并在某些领域已经开始应用。

（二）生物医学领域

在生物医学领域，光固化快速成型技术可以为一些通过常规方法无法制造的复杂的人体器官制造模型。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。目前在生命科学研究的前沿领域出现的一门新的交叉学科—组织工程是光固化成型技术非常有前景的一个应用领域。基于SLA技术可以制作具有生物活性的人工骨支架，该支架具有很好的机械性能和与细胞的生物相容性，且有利于成骨细胞的黏附和生长。

三、结语

当前3D打印等增材制造工艺作为未来工业加工、生产的趋势，SLA立体光固化成型法作为其中一种较为成熟的工艺已经在当前的各工业及医疗领域中有着广泛的应用，具有成熟度高、加工速度快、产品生产周期短、高度自动化等优点，但当前仍有很多限制和不足。未来立体光固化成型技术将向高精细化、多种可加工材料及微光固化成型发展，并将在工业制造和生物医学等领域有着更为广泛的应用。

【参考文献】

[1]崔庚彦，宋艳芳.光固化成型技术的特点及其应用[J].技术与市场，2014（09）：35-36.

[2]黄晓明，张伯霖.光固化立体成型技术及其最新发展[J].机电工程技术，2001（05）：21-24.