2.5　光固化成型SLA

光固化成型（Stereo Lithography Appearance, SLA）也被称为立体光刻成型，属于快速成型技术中的一种，简称为SLA，有时也称为SL。该技术是最早发展起来的快速成型技术，也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。

光固化成型技术主要是使用光敏树脂作为原材料，通过特定波长与强度的激光（紫外光）聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面的顺序凝固，从而完成一个层截面的绘制工作。然后在垂直方向上升降打印台一个层厚单位的高度，接着再照射固化下一个层面。这样循环完成固化、移动的过程，从而层层叠加完成一个三维实体的打印工作。

2.5.1　技术原理

光固化成型技术最早由美国麻省理工学院的Charles Hull在1986年研制成功，并于1987年获得专利，是最早出现的、技术最成熟和应用最广泛的3D打印技术。主要以光敏树脂为原材料，通过计算机控制紫外激光发射装置逐层凝固成型。SLA工艺能简洁快速并全自动地打印出表面质量和尺寸精度较高、几何形状复杂的原型。

光固化打印效果除了受打印设备的影响，还受光敏树脂材料性能的很大影响。供使用的打印材料必须具有合适的黏度，固化后需具备一定的强度，并且在固化时和固化后产生的收缩及扭曲变形较小。更重要的是，为了实现高速、精密地完成打印操作，需要供打印的光敏树脂具有合适的光敏性能，不仅要在较低的能量照射下完全固化，而且树脂的固化深度也应合适。

SLA的工作原理如图2-11所示，在计算机控制下，紫外激光部件按设计模型分层截面得到的数据，对液态光敏树脂表面逐点扫描照射，使被照射区域的光敏树脂薄层发生聚合反应而固化，从而形成一个薄层的固化打印操作。当完成一个截层的固化操作后，工作台沿Z轴下降一个层厚的高度。由于液体的流动特性，打印材料会在原先固化好的树脂表面自动再形成一层新的液态树脂，因此照射部件便可以直接进行下一层的固化操作。新固化的层将牢固地黏合在上一层固化好的部件上，循环重复照射、下沉的操作，直到整个部件被打印完成。但在打印完成后，还必须将原型从树脂中取出再次进行固化后处理，通过强光、电镀、喷漆或着色等处理得到需要的最终产品。

需要特别注意的是，因为一些光敏树脂材料的黏性非常高，使得在每层照射固化之后，液面都很难在短时间内迅速流平，这将会对打印模型的精度造成影响。因此，大部分SLA设备都配有刮刀部件，在打印台每次下降后都通过刮刀进行刮切操作，便可以将树脂十分均匀地涂敷在下一叠层上，这样经过光照固化后可以得到较高的精度，并使最终打印产品的表面更加光滑和平整。

SLA技术的特点是精度高、表面质量好、原材料利用率几乎达到惊人的100％，能用于打印制作形状特别复杂、特别精细的零件，非常适合于小尺寸零部件的快速成型，但缺点是设备及打印原材料的价格都相对比较昂贵。

目前SLA技术主要集中用于制造模具、模型等，同时还可以在原料中通过加入其他成分，用于代替熔模精密铸造中的蜡模。虽然SLA技术打印速度较快、精度较高，特别是基于其的一些改进版本，例如DLP（Digital Light Processing，数字光处理）等。但由于打印材料必须基于光敏树脂，而光敏树脂在固化过程中又会不可避免地产生收缩，导致产生应力或引起形变，因此，该技术当前推广的一大难点便是急需收缩小、固化快、强度高的光敏材料。

2.5.2　工艺过程

光固化成型SLA技术的工艺过程一般可分为前处理、原型制作、清理和固化处理四个阶段。

（1）前处理阶段主要内容是围绕打印模型的数据准备工作，具体包括对CAD设计模型进行数据转换、确定摆放方位、施加支撑和切片分层等步骤。

（2）光固化成型过程即是SLA设备打印的过程。在正式打印之前，SLA设备一般都需要提前启动，使得光敏树脂原材料的温度达到预设的合理温度，并且启动紫外激光器也需要一定的时间。

（3）清洗模型主要是擦掉多余的液态树脂，去除并修整原型的支撑，以及打磨逐层固化形成的台阶纹理。

（4）对于光固化成型的各种方法，普遍都需要进行后固化处理，例如通过紫外烘箱进行整体后固化处理等。

2.5.3　技术特点

光固化成型技术的优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高、结构复杂的小尺寸工件。在使用光固化技术的工业级3D打印机领域，比较著名的是Object公司。该公司为SLA3D打印机提供超过100种以上的感光材料，是目前支持材料最多的3D打印设备。同时，Object系列打印机支持的最小层厚已达到16微米（0.016毫米），在所有3D打印技术中，SLA打印成品具备最高的精度、最好的表面光洁度等优势。

但是光固化快速成型技术也有两个不足，首先是光敏树脂原料具有一定的毒性，操作人员在使用时必须具备防护措施。其次，光固化成型的成品在整体外观方面表现非常好，但是材料强度方面尚不能与真正的制成品相比，这在很大程度上限制了该技术的发展，使得其应用领域限制于原型设计验证方面，后续需要通过一系列处理工序才能将其转化为工业级产品。

此外，SLA技术的设备成本、维护成本和材料成本都远远高于FDM等技术。因此，目前基于光固化技术的3D打印机主要应用于专业领域，桌面级应用尚处于启动阶段，包括Form1和B9项目，相信不久的将来会有更多低成本的SLA桌面3D打印机面世。

具体来讲，SLA打印技术的优势主要有以下几个方面。

（1）SLA技术出现时间早，经过多年的发展，技术成熟度高。

（2）打印速度快，光敏反应过程便捷，产品生产周期短，并无需切削工具与模具。

（3）打印精度高，可打印结构外形复杂或传统技术难于制作的原型和模具。

（4）上位软件功能完善，可联机操作及远程控制，利于生产的自动化。

相比其他打印技术而言，SLA技术的主要缺陷在于：

（1）SLA设备普遍价格高昂，使用和维护成本很高。

（2）需要对毒性液体进行精密操作，对工作环境要求苛刻。

（3）受材料所限，可用使用的材料多为树脂类，使得打印成品的强度、刚度及耐热性能都非常有限，并且不利于长时间保存。

（4）核心技术被少数公司所垄断，技术和市场潜力未能全部被挖掘。

2.5.4　典型设备

美国3D Systems公司自1988年推出第一台商业设备SLA250以来，光固化快速成型技术在世界范围内得到了迅速而广泛的应用。特别是在概念设计、单件精密铸造、产品模型以及直接面向产品的模具等诸多方面，被广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。

光固化成型技术接下来的发展趋势将是高速化、节能环保与微型化。随着加工精度的不断提高，SLA技术最可能率先在生物、医药、微电子等领域大有作为。

图2-12是日本的Unirapid公司的Unirapid3，图2-13则是采用该款SLA打印设备打印的物品。

在开始3D打印之前，需要准备好待打印的目标模型，同普通三维模型相比，3D打印模型还需要满足无缝的要求，因此常用STL文件来作为模型文件。

模型的获取方式有很多，可以通过常用的设计软件进行绘制，也可以通过扫描仪扫描后获取（例如针对样板模型，通过扫描仪扫描后得到图形，经过Imageware等逆向软件进行简单处理，接着通过设计软件处理即可打印），或者在网上各种网站上下载。