2.3　光固化快速成型（SLA）

立体光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）技术是世界上出现最早、研究最深入、应用最广泛、方法最成熟并已实现商品化的一种快速成型技术，也被称为立体光刻、立体印刷或光造型等。该技术最早由麻省理工学院的Charles Hull在1986年研制成功，并于1987年获得专利。经过多年的探索与发展，该工艺的加工精度已可达毫米级，截面扫描方式和树脂成型性能也得到了很大改进，但是在设备、材料、制造过程和加工环境等方面还是存在很多不足之处。立体光固化成型技术多用于制造模型，通过在原料中加入其他成分，其原型模也可代替熔模精密铸造中的蜡模。该方法成熟速度快、精度高，但树脂在固化过程中的收缩必然会产生应力或引起形变，使这种方法有一定的局限性。

国内外很多公司先后推出了多种光固化快速成型设备，如3D Systems公司、CMET公司、EOS公司等。中国的一些研究机构和商业公司也参与到该项技术设备的竞争之中，如西安交通大学、华中科技大学、北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司和上海联泰科技股份有限公司等。

2.3.1　光固化快速成型工作原理

光固化快速成型工艺过程原理如图2-15所示，用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之按“由点到线、由线到面”的顺序凝固，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。

SLA技术采用液态光敏树脂原料，其工艺过程如下：首先通过CAD软件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；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，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，第二固化层牢固地黏结在前一固化层上，这样一层层叠加就形成了三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即可得到满足要求的产品。

SLA主要用于制造多种模具、模型等，还可以通过在原料中加入其他成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。

2.3.2　技术优缺点

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SLA 3D打印机提供超过100种感光材料，是目前支持材料最多的3D打印设备公司。同时，Object系列打印机支持的最小层厚已达到16μm，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熔融挤压式（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，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。

①SLA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，并且无须切削工具与模具。

③打印精度高，可以做到微米级别；可打印结构、外形复杂或传统技术难以制作的原型和模具。

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以下几点。

①SLA设备普遍价格高昂，使用和维护成本很高。

②SLA系统需要对毒性液体进行精密操作，光敏树脂对环境有污染，会使人体皮肤过敏，对工作环境要求苛刻。

③受材料所限，可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。成型产品对储藏环境有很高的要求，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿、膨胀，抗腐蚀能力不强。

④由于树脂固化过程中会产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变，因此开发收缩小、固化快、强度高的光敏材料是其发展趋势。

⑤需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。

⑥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。

2.3.3　工艺过程

光固化快速成型模型的制作可分为前处理、原型制作和后处理三个阶段。

（1）前处理

前处理主要是对原型的CAD模型进行数据转换、摆放方位确定、施加支撑和切片分层的过程，实际上就是为原型的制作准备数据。

①CAD三维造型 CAD模型即三维实体造型，是快速原型制作所必需的原始数据源，可以在各种CAD软件上实现。

②数据转换 数据转换是对产品CAD模型的近似处理，主要是生成STL格式的数据文件，实际上就是采用若干小三角形片来逼近模型的外表面，导出STL格式如图2-16所示。

③导入3D打印软件 例如，将零件导入magics软件，如图2-17所示。

④检查修正数据 采用修复向导功能检测零件缺陷，使用“根据建议”功能对零件进行修复直至没有错误，如图2-18所示。

⑤确定零件的摆放方位 确定摆放方位时，需要综合考虑制作时间和效率、后续支撑的施加以及原型的表面质量等因素。一般为了缩短原型制作时间并提高制作效率，将尺寸最小的方向作为叠层方向；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，将最大的尺寸方向作为叠层方向摆放；为了减少支撑量、节省材料并方便后处理，有时也会采用倾斜摆放，如图2-19所示。

⑥设置Z轴补偿 零件Z轴补偿量的设置如图2-20所示。

⑦施加支撑 施加支撑是光固化快速原型制作前处理阶段的重要工作，这一工作的好坏直接影响原型制作的成功与否；可以手工进行，也可以通过软件自动实现。但通过软件自动实现的一般都要经过人工核查，进行必要的修改和删减。目前，为了便于在后续处理中去除支撑，获得优良的表面质量，可采用点支撑这种比较先进的支撑类型，即支撑与需要支撑的模型面之间为点接触。在快速原型制作中，支撑是与原型同时进行的，支撑结构除确保原型的每一结构部分都能可靠、固定之外，还有助于减少原型在制作过程中发生的翘曲变形。有时为了成型完毕后，能方便地从工作台上取下原型，不使原型损坏，在原型的底部也设计并制作支撑结构。

图2-21为常用的支撑结构。其中，图2-21（a）所示为斜支撑形式，主要用于支撑悬臂结构，在成型过程中为悬臂提供支撑，同时约束悬臂的翘曲变形；图2-21（b）所示为直支撑形式，主要用于支撑腿部结构；图2-21（c）所示为腹板形式，主要用于大面积的内部支撑；图2-21（d）所示为十字壁板形式，主要用于孤立结构部分的支撑。

对零件添加支撑时，根据导入的机器库文件可自动生成支撑，如图2-22所示。

⑧切片分层 支撑施加完毕后，根据设备系统设定的分层厚度沿着高度方向进行切片，生成RP（快速成型）系统需求的SLC格式的层片数据文件，提供给光固化快速原型制作系统进行原型制作。将生成的支撑及切片数据按照机器识别的格式进行输出，切片属性如图2-23所示。

（2）原型制作

光固化快速成型过程是在专用的光固化快速成型设备系统上进行。在原型制作前，需要提前启动光固化快速成型设备系统并启动原型制作控制软件，读入前处理生成的层片数据文件。在模型制作前，需调整工作台网板的零位与树脂液面的位置关系，确保支撑与工作台网板的稳固连接。整个叠层的光固化过程都由软件系统自动控制，叠层制作完毕后，系统自动停止，SLA原型的制作如图2-24所示。

（3）后处理

在快速成型系统中，原型叠层制作完毕后，需要进行剥离等后续处理工作，以便去除废料和支撑结构等。对于用光固化成型方法成型的原型，还需要进行后固化处理等。

首先，原型叠层制作结束后，工作台升出液面，停留5～10min，晾干多余的树脂。

然后，将原型和工作台一起斜放晾干后浸入丙酮、乙醇等清洗液体中，搅动并刷掉残留的气泡，持续45min后放入水池中清洗工作台约5min；之后从外向内从工作台上取下原型，并去除支撑结构。去除支撑结构时，应注意不要刮伤原型表面和精细结构，如图2-25所示。

最后，再次清洗原型后将其置于紫外烘箱中进行整体后固化。对于有些性能要求不高的原型，可以不做后固化处理。由于去除支撑会在零件表面留下痕迹，因此可用砂纸轻轻打磨零件表面以达到光滑效果，如图2-26所示。

2.3.4　系统组成

SL系统的组成一般包括光源系统、光学扫描系统、托板升降系统、涂覆刮平系统、液面及温度控制系统、控光快门系统等。图2-27所示为采用振镜扫描式SLA系统组成示意图。成型光束通过振镜偏转可进行X-Y二维平面内的扫描运动，工作台可沿Z轴升降。控制系统根据各分层截面信息控制振镜按设定的路径逐点扫描，同时控制光阑与快门使一次聚焦后的紫外光进入光纤；在成型头经过二次聚焦后照射在树脂液面上进行点固化，一层固化完成后，控制Z轴下降一个层厚的距离，固化新的一层树脂，如此重复，直至整个零件制造完毕。

（1）光源系统

当光源的光谱能量分布与光敏树脂吸收谱线相一致时，组成树脂的有机高分子吸收紫外线，产生分解、交联和聚合，其物理或化学性质发生变化。由光固化的物理机理可知，对光源的选择，主要取决于光敏剂对不同频率光子的吸收。由于大部分光敏剂在紫外区的光吸收系数较大，一般使用很低的光能量密度就可使树脂固化。所以，一般都采用输出在紫外波段的光源。目前SLA工艺所用的光源主要是激光器，可分为气体激光器、固体激光器和半导体激光器3类。另外，也有采用普通紫外灯作为SLA光源的。

（2）光学扫描系统

SLA的光学扫描系统有数控X-Y导轨式扫描系统和振镜式激光扫描系统两种，如图2-28所示。对于数控X-Y导轨式扫描系统，实质上是在计算机控制下的二维运动工作台，它带动光纤和聚焦镜完成零件的二维扫描成型，该系统在X-Y平面内的动作由步进电机驱动高精密同步带实现（即由电机作用于丝杠驱动扫描头）。数控X-Y导轨式扫描系统具有结构简单、成本低、定位精度高的特点，二维导轨由计算机控制在X-Y平面内实现扫描，它既可以使焦点做直线运动，又可以实现小视场、小相对孔径的条件，简化了物镜设计。但是，该系统扫描速度相对较慢，在高端设备应用中，已逐渐被振镜式激光扫描系统所取代。

振镜扫描器常见于高精度大型快速成型系统，如3D Systems公司的SLA产品多用这种扫描器。它是一种低惯量扫描器，主要用于激光扫描场合（如激光刻字、刻线、照排、舞台艺术等），其原理是用具有低转动惯量的转子带动反射镜偏转光束。振镜扫描器能产生稳定状态的偏转，高保真度的正弦扫描以及非正弦的锯齿、三角或任意形式扫描。这种扫描器一般和F-θ聚焦镜配用，在大视场范围内进行扫描。振镜扫描器具有惯量低、速度快、动态特性好的优点，但是它的结构复杂，对光路要求高，调整麻烦，价格较高。

振镜式激光扫描系统主要由执行电机、反射镜片、聚焦系统以及控制系统组成。执行电机为检流计式有限转角电机，其机械偏转角一般在±20°以内，反射镜片粘接在电机的转轴上，通过执行电机的旋转带动反射镜片的偏转来实现激光束的偏转，其辅助的聚焦系统有静态聚焦方式和动态聚焦方式两种，根据实际聚焦工作面的大小选择不同的聚焦系统。静态聚焦方式又有振镜前聚焦方式的静态聚焦和振镜后聚焦方式的F-θ透镜聚焦；动态聚焦方式需要辅以一个Z轴执行电机，并通过一定的机械结构将执行电机的旋转运动转变为聚焦透镜的直线运动来实现动态调焦；同时，加入特定的物镜组来实现工作面上聚焦光斑的调节。动态聚焦方式相对于静态聚焦方式要复杂得多，例如，图2-29所示为采用动态聚焦方式的振镜式激光扫描系统。激光器发射的激光束经过扩束镜之后，得到均匀的平行光束，然后通过动态聚焦方式的聚焦以及物镜的光学放大后，依次投射到X轴和Y轴振镜上，最后经过两个振镜，二次反射到工作台面上，形成扫描平面上的扫描点；还可以通过控制振镜式激光扫描系统镜片的相互协调偏转以及动态聚焦的动态调焦来实现工作平面上任意复杂图形的扫描。

（3）托板升降系统

托板升降系统如图2-30所示。其功能是完成零件支撑及在Z轴方向的运动，它与涂覆刮平系统相配合，就可实现待加工层树脂的涂覆。托板升降系统采用步进电机驱动、精密滚珠丝杠传导及精密导轨导向的结构。制造零件时，托板经常做下降、上升运动，为了减少运动对液面的搅动，可在托板上布置蜂窝状排列的小孔。

（4）涂覆刮平系统

在SL设备中常设有涂覆刮平系统，用于完成对树脂液面的涂覆作用。涂覆刮平运动可以使液面尽快流平，进而提高涂覆效率并缩短成型时间。常用的涂覆机构主要有吸附式、浸没式和吸附浸没式3种。

①吸附式涂覆 吸附式涂覆如图2-31所示，它由刮刀（有吸附槽和前、后刃）、压力控制阀和真空泵等组成。工件完成一层激光扫描后，电机带动托板下降一个层厚的高度，由于真空泵抽气产生的负压使刮刀的吸附槽内吸有一定量的树脂，刮刀沿水平方向运动，将吸附槽内的树脂涂覆到已固化的工件层面上；同时，刮刀的前、后刃修平高出的多余树脂，使液面平整，刮刀吸附槽内的负压还能消除由于工件托板移动而存于树脂中的气泡。此机构比较适合于断面尺寸较小的固化层面，但如果设置适当的刮刀移动速度，它也可使较大的区域得到精确涂覆。

②浸没式涂覆 当被加工的工件具有较大尺寸的实体断面时，采用上述吸附式涂覆机构很难保证涂覆质量，有些地方可能会因为吸附槽内的树脂材料不够，出现涂不满现象。这种情况必须通过浸没式涂覆技术解决。

浸没式涂覆过程如图2-32所示。刮刀在结构上只有前、后刃而没有吸附槽，当工件完成一层的扫描之后，托盘平台下降一个比较大的深度（大于几层层厚），然后再上升，直到比最佳液面高度低一个层厚的位置，接着刮刀做来回运动，将表面多余的树脂和气泡刮走。此种方法能将较大的工件表面刮平，但刮走后的气泡仍留在树脂槽中，较难消失。若气泡附在工件上面，则可能导致工件出现气孔，影响质量。

③吸附浸没式涂覆 此机构综合了吸附式和浸没式的优点，同时增加了水平调节机构。它主要由真空机构、刮刀水平调节机构、运动机构和刮刀组成。真空机构通过调节阀控制负压值来控制刮刀吸附槽内的树脂液面的高度，保证吸附槽里有一定量的树脂；刮刀水平调节机构主要用于调节刮刀刀口的水平。由于液面在激光扫描时必须是水平的，因此，刮刀的刀口也必须与液面平行。工作时，刮刀的吸附槽里由于存在负压，会一直有一定量的树脂。当完成一层扫描后，升降托板带动工件下降几层的高度，然后再上升到比液面低一个层厚的位置，接着电机带动刮刀做来回运动，将液面多余的树脂和气泡刮走，激光就可以进行下一次的扫描。通过这种技术，能明显提高工件的表面质量和精度。

2.3.5　系统控制技术

2.3.5.1　SLA控制系统硬件

控制硬件系统是SLA系统中的一个重要组成部分，用以完成人机交互、数据处理、运动控制和成型过程控制等功能，是一个较复杂的机电控制系统，因此在SLA控制硬件系统设计时需要统筹规划、综合考虑。根据控制硬件结构的不同，目前商品化的3D打印主要有上下位机控制模式和单机控制模式两种控制模式。

上下位机控制模式是由两台计算机分工协作，共同完成快速成型设备所需的控制功能。上位机一般是由一台高性能的计算机构成，由其承担编译、解释、人机交互和数据处理等非实时性任务；下位机一般是由一台性能相对较低的计算机构成，由其完成内存访问、中断服务、设备的运动控制和成型过程控制等实时性要求较高、与硬件设备相关联的控制。两台计算机通过网络进行数据的传递。上下位机控制模式的优点是：①采用的是并行处理机制，两台计算机分别执行不同的任务，分工明确，互不干涉；②控制系统的硬件结构清晰，两台计算机相对独立，控制硬件系统的设计可以进行分工合作，同时进行。上下位机控制模式的缺点是：控制硬件系统的结构较复杂，设备的硬件成本较高。

单机控制模式是由一台高性能的计算机集中控制，统一完成人机交互、数据处理、运动控制和成型过程控制等所有功能。单机控制模式的优点是：①控制系统的绝大多数功能都是通过软件来实现，可以简化设备驱动装置的硬件结构，因此设备硬件成本较低；②由于控制的绝大部分工作由软件完成，通过在软件设计中考虑兼容性的问题，就可以实现良好的兼容性；③硬件结构比上下位机控制模式简单，系统可靠性相对较高。单机控制模式的缺点是软件的设计相对比较复杂。

SLA系统的数据处理部分可以采用离线生成方式，即在成型加工之前已经通过数据处理软件得到了全部切片层的实体位图数据和支撑位图数据。在成型加工过程中，计算机控制系统并不需要进行复杂的数据计算和处理工作，而只需要完成层面位图数据的读取和显示任务。此外，SLA系统中的运动控制也相对比较简单，可采用集成化的运动控制系统。随着计算机技术的飞速发展，普通的PC机就已经具备了足够的处理能力，因此采用单机控制模式完全可以满足SLA系统成型加工的需要。

激光束的功率控制、振镜的偏转控制以及材料盒中的液位控制都采用独立的控制模块自主控制，在SLA的成型加工过程中，计算机控制系统只需要对它们的状态进行监测，以便在它们出现故障时，控制系统发出报警信息。在SLA系统中，Z轴的运动通过一块运动控制卡进行控制，扫描振镜控制由一块专用的控制卡来实现，对自主控制模块部分的监测和激光束光阑的控制则用一块多功能数据采集卡来完成。三块控制卡通过插接板直接插入控制计算机的扩展槽中，通过总线与控制计算机进行信息传输。SLA系统的硬件控制系统结构如图2-33所示。

SLA控制系统硬件包括液位控制系统、温度控制系统和激光控制系统。

（1）液位控制系统

加工过程中工件托板支架的上下移动和取出工件后会令树脂槽里的树脂液面变化，造成树脂液面不在激光扫描的最佳工作高度，进而影响工件的成型尺寸和精度。常用以下3种机构让工作液面一直保持在最佳高度。

①溢流式 溢流式液面控制如图2-34所示。整机工作时树脂泵也会一直工作，将小树脂槽中的树脂抽到大树脂槽中，当大树脂槽的液面高度高过溢流口时，树脂就会从溢流口流回小树脂槽，这样就能始终保证大树脂槽的高度不变，此种方式会带来比较多的气泡；同时，树脂黏度较大，难以抽到大树脂槽中，现较少采用。

②填充式 填充式液面控制如图2-35所示。通过控制可升降填充物的升降来控制液面的高低，此原理简单，但由于填充物体积有限，当填充物下降到最低点时，需要通过手工向树脂槽里添加树脂，才能让填充物回到正常工作点，因此，此方式比较麻烦。

③整体升降式 整体升降式液面控制如图2-36所示。工作时，液面传感器实时检测液面的高度，当高度出现变化时，通过计算机计算出需要上升（或下降）的高度并启动电机带动升降机来调节液面高度。此方式简单可行，并能轻松更换树脂和树脂槽，清洗方便，因此现在大多采用此方式。

（2）温度控制系统

树脂的黏度和体积受温度影响较大。为保持液面的稳定及改善刮平时树脂的流平特性（温度越高，树脂黏度越小，流平特性越好），希望树脂温度尽可能高且恒定。而光聚合反应的特点之一是反应的温度适应范围宽，所以温度的设定基本不影响光聚合反应，但过高的温度会使得成型件软化。树脂温度控制系统如图2-37所示。控制器输出信号，通过固态继电器控制加热元件的通断。为使树脂槽内的温度尽快均衡，可在加热的开始阶段，托板做上下升降运动搅拌树脂，以提高加热效率。

（3）激光控制系统

在扫描固化成型每一条线（基本固化单位）的过程中，扫描光点并非匀速运动，而是由加速、匀速及减速三种运动构成一条线的扫描过程，即开始扫描时，光点聚焦系统在驱动系统的作用下，由静止状态很快加速到某一速度值，然后以此速度匀速扫描，将至扫描线末端时，扫描光点必须迅速减速至零，如图2-38所示，再进行下一条相邻线的扫描。上述这样的过程，使得成型的固化线条不是一定线径的理想微细柱状体，而是两端粗、中间细的硬化实体，如图2-39所示。由这样的硬化单位累积、粘接而形成构造物时，势必对构造物的成型尺寸精度及翘曲变形等带来较大影响。

非匀速扫描时，扫描成型有以下特征：①在离轴距离一定的直线上，其曝光时间是不同的，从而导致了曝光量的差异，所以固化深度和固化线宽是不均匀的；②曝光时间及曝光量仍是树脂微元位置的函数，并与加速度的平方根成反比；③在x=D位置的树脂微元dS，其曝光时间最长，如图2-40所示，因而固化深度最深且线宽最宽。由于上述特征，扫描固化线条呈现非均匀性，这样的固化线条粘接叠加，势必对成型件的精度产生影响。因此，可采取一定的措施，消除这种不均匀性，对于改善成型质量及完善成型动作等是有意义的。

使扫描固化线条均匀一致的根本措施是对曝光能量的有效控制，进而达到扫描线条均匀曝光。两种办法可以达到这个目的：一种办法是使光能量时时改变，使光能量随时间变化的曲线与扫描线的曝光时间曲线相互作用，最终达到均匀曝光的目的；另一种办法是设计实现控制扫描光束能量供给的控光快门装置，即在扫描过程的加速及减速段，控光快门控制光束不作用于光敏树脂，使扫描固化线条趋于理想化，进而使成型单位和成型过程趋于理想化。

控光快门装置如图2-41所示。按功能可分为三个部分。①机-电能量转换部分。包括线圈架、电磁线圈、铁芯和衔铁。其中，电磁线圈通过导线与控制及驱动电路相连构成电路系统，电磁线圈的电阻、电感、匝数、绕线方式和外形尺寸对能量转换的效率及磁场的建立有非常大的影响。②磁路封闭系统。包括线圈构成的磁场、线圈内的铁芯、衔铁及支座。其中，衔铁与铁芯气隙的调整对快门的功能影响很大。③衔铁复位系统。包括复位弹簧和弹管支撑座。

快门控制与驱动电路原理如图2-42所示。在CPU控制下，快门动作的数字电压信息，通过接口电路送至线圈驱动管。当数字电压为高电平时，线圈驱动管导通，电磁铁产生电磁力，推动快门执行挡光（或通光）动作；当数字电压为低电平时，线圈驱动管断开，线圈中无电流流过，快门在复位弹簧的弹力作用下复位。在数字电压由高电平切换到低电平后，线圈中的能量必须通过相应的泄放回路释放，否则可能击穿线圈驱动管。因此，驱动控制电路中设计了浪涌电压吸收电路，通过该电路吸收驱动管断开时由驱动线圈产生的反峰电压。

2.3.5.2　SLA控制系统软件

（1）成型机的软件组成

SLA工艺可根据三维CAD设计模型快速地制造出实物原型，从其加工流程来看，该工艺软件系统主要分为三维模型设计、数据处理和加工控制三部分。每部分完成的功能如图2-43所示。

三维模型设计是指利用三维造型软件（如Solidworks、Pro/E、UG等）在计算机上建立一个三维实体CAD模型，或通过反求方法得到实体的三维模型数据，并将该三维模型表面三角化，生成快速成型系统的数据接口STL文件。

数据处理模块首先加载STL文件，建立三维模型中各几何元素（点、边、面、体）之间的拓扑关系，并对STL文件进行纠错处理。在对三维模型进行成型方向优化和图形变换之后，由切片软件得到一系列的二维截面轮廓环，并由二维截面轮廓环数据生成层面实体位图数据和求得支撑位图数据，最后对位图数据进行压缩处理得到所有切片层的位图数据的压缩文件。

加工控制模块首先读取层面位图数据、解压和显示，然后进行激光发射以及振镜扫描打印控制，材料的固化和自动叠加，同时完成设备的运行状态监测和故障报警功能。

（2）控制软件结构

基于单机控制模式的SLA系统中，控制软件也由上层应用程序和底层设备驱动程序两大部分组成。

在PC系统中，系统服务接口将整个操作系统分为用户态和核心态两层，如图2-44所示。用户态是操作系统的用户接口部分，所有的应用程序都运行在上层的用户态中。设备驱动程序是用户态和相关硬件之间的接口，上层应用程序通过使用底层设备驱动程序提供的编程接口来实现对底层硬件的操作。

上层应用程序主要完成层面位图数据的读取、解压和显示、人机交互等非实时性任务，以及通过PC系统服务接口与设备驱动程序进行信息传递。设备状态监控模块监测设备各系统的工作状态是否正常，如材料盒液位是否在设定范围内，激光发生器工作是否正常；若出现异常，则显示故障报警信息，并关闭光阑和暂停程序运行。为了确保在出现意外而中断成型的情况下，设备系统能够恢复原有的成型过程而不必重新开始，历史记录模块中保存了当前层的高度及3D打印成型的参数设置等必要信息，使设备在出现意外而中断时，能够恢复中断的成型加工。

2.3.6　成型质量影响因素

影响光固化快速成型产品质量的因素主要包括前期数据处理误差、成型加工误差以及后处理产生的误差等。

2.3.6.1　前期数据处理误差

由于成型机所接收的是模型的轮廓信息，所以加工前必须对其进行数据转换。1987年3D systems公司对任意曲面CAD模型做小三角形平面近似，开发了STL文件格式，并由此建立了从近似模型中进行切片获取截面轮廓信息的统一方法，沿用至今。多年以来，STL文件格式受到越来越多的CAD系统和设备的支持，其优点是大大简化了CAD模型的数据格式，是目前CAD系统与RP系统之间的数据交换标准，它便于在后续分层处理时获取每一层片实体点的坐标值，以便控制扫描镜头对材料进行选择性扫描，因此被工业界认为是目前快速成型数据的准标准，几乎所有类型的快速成型系统都采用STL数据格式，极大地推动了快速成型技术的发展。对三维模型进行数据处理时，误差主要产生于三维CAD模型的STL文件输出和对此STL文件的分层处理两个过程中。

（1）文件格式转换误差

STL文件的数据格式是采用小三角形来近似逼近三维CAD模型的外表面，小三角形数量的多少直接影响着近似逼近的精度。显然，精度要求越高，选取的三角形应该越多。一般三维CAD系统在输出STL格式文件时都要求输入精度参数，也就是用STL格式拟合原CAD模型的最大允许误差。这种文件格式将CAD连续的表面离散为三角形面片的集合，当实体模型表面均为平面时不会产生误差。但对于曲面而言，不管精度多么高，也不能完全表达原表面，这种逼近误差不可避免地存在。例如，制作一圆柱体，当沿轴线方向成型时，如果逼近精度有限，则明显地看到圆柱体变成棱柱体，如图2-45所示。

清除这种误差的根本途径是直接从CAD模型获取制造数据，但是目前使用中尚未达到这一步。现有的办法只能在对CAD模型进行STL格式转换时，通过恰当地选择精度参数值减少这一误差，这往往依赖于经验。

（2）分层处理对成型精度的影响

分层处理产生的误差属于原理误差，分层处理以STL文件格式为基础，先确定成型方向，通过一簇垂直于成型方向的平行平面与STL文件格式模型相截，所得到的截面与模型实体的交线再经过数据处理生成截面轮廓信息，平行平面之间的距离就是分层厚度。由于每一切片层之间都存在距离，因此切片不仅破坏了模型表面的连续性，而且不可避免地丢失了两切片层之间的信息，这一处理造成分层方向的尺寸误差和面型精度误差。

进行分层处理时，确定分层厚度后，如果分层平面正好位于顶面或底面，则所得到的多边形恰好是该平面处实际轮廓曲线的内接多边形；如果分层平面与此两平面不重合，即沿切层方向某一尺寸与分层厚度不能整除时，将会引起分层方向的尺寸误差。

为了获得较高的面型精度，应尽可能减小分层厚度。但是，分层数量的增加，使制造效率显著降低；同时，层厚太小会给涂层处理带来一定的困难。自适应性切片分层技术能够较好地提高面型精度，这是解决这一问题较为有效的途径。另外，优化成型制作方向，实质上就是减小模型表面与成型方向的角度，也可以减小体积误差。

2.3.6.2　成型加工误差

（1）机器误差

机器误差是成型机本身的误差，它是影响制件精度的原始误差。机器误差在成型系统的设计及制造过程中就应尽量减小，因为它是提高制件精度的硬件基础。

①工作台Z方向运动误差 工作台Z方向运动误差直接影响堆积过程中的层厚精度，最终导致Z方向的尺寸误差；而工作台在垂直面内的运动直线度误差宏观上可产生制件的形状、位置误差，微观上导致粗糙度增大。

②X、Y方向同步带变形误差 X、Y扫描系统采用X、Y二维运动，由步进电机驱动同步齿形带并带动扫描镜头运动在定位时，由于同步带的变形，会影响定位的精度。常用的方法是采用位置补偿系数来减小其影响。

③X、Y方向定位误差 在扫描过程中，X、Y扫描系统通常存在以下问题。①系统运动惯性力的影响。对于采用步进电机的开环驱动系统而言，步进电机本身和机械结构都影响扫描系统的动态性能。X、Y扫描系统在扫描换向阶段，存在一定的惯性，使得扫描头在零件边缘部分超出设计尺寸的范围，导致零件的尺寸有所增加。同时，扫描头在扫描时，始终处于反复加速减速的过程中。因此，在工件边缘，扫描速度低于中间部分，光束对边缘的照射时间要长一些，并且存在扫描方向的变换，扫描系统惯性力大，加减速过程慢，致使边缘处树脂固化程度较高。②扫描机构振动的影响。在成型过程中，扫描机构对零件的分层截面做往复填充扫描，扫描头在步进电机的驱动下本身具有一个固有频率，由于各种长度的扫描线都可能存在，所以在一定范围内，各种频率都有可能发生。当发生谐振时，振动增大，成型零件将产生较大的误差。

（2）光固化成型误差

由于光固化成型特点，使所做出的零件实体部分实际上每侧大了一个光斑半径，零件的长度尺寸大了一个光斑直径，使零件产生正偏差，虽然控制软件中采用自适应拐角延时算法，但由于光斑直径的存在，必然在其拐角处形成圆角，导致形状钝化，降低了制件的形状精度，而使得一些小尺寸制件无法加工。如果不采用光斑补偿，将使制件产生正偏差，为了消除或减少正偏差，实际上可采用光斑补偿，使光斑扫描路径向实体内部缩进一个光斑半径。

2.3.6.3　后处理产生的误差

从成型机上取出已成型的工件后，需要进行剥离支撑结构，有的还需要进行后固化、修补、打磨、抛光和表面处理等，这些工序统称为后处理，这类误差可分为以下几种。

①工件成型完成后，去除支撑时，可能对表面质量产生影响，所以设计支撑时要合理，要选取合适的支撑间距。支撑的设计与成型方向的选取有关，在选取成型方向时，要综合考虑，添加支撑要少并便于去除。

②由于温度、湿度等环境状况的变化，工件可能会继续变形并导致误差，并且由于成型工艺或工件本身结构工艺性等方面的原因，成型后的工件内或多或少地存在残余应力。这种残余应力会由于时效的作用而全部或部分地消失，这也会导致误差；设法减小成型过程中的残余应力有利于提高零件的成型精度。

③制件的表面状况和机械强度等方面还不能完全满足最终产品的要求，例如制件表面不光滑，其曲面上存在因分层制造引起的小台阶、小缺陷，制件的薄壁和某些小特征结构可能强度不足、尺寸不够精确，表面硬度或色彩不够满意等。采用修补、打磨、抛光是为了提高表面质量，表面涂覆是为了改变制品表面颜色，提高其强度和其他性能。但是，在此过程中，若处理不当，都会影响原型的尺寸及形状精度，产生后处理误差。