深圳手板廠業(yè)務(wù)之一：SLA 3D打印

SLA3D打印具有打印形狀寬、成型速度快、精度高的特點(diǎn)。其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涵蓋了制造業(yè)領(lǐng)域的所有行業(yè)，在醫(yī)療、人體工程、文物保護(hù)等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前主要用于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和模擬樣件的試制，即從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)造型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本功能評(píng)價(jià)模擬樣件試制的開(kāi)發(fā)過(guò)程。對(duì)于一些以塑料結(jié)構(gòu)為主的產(chǎn)品，可以進(jìn)行小批量試生產(chǎn)，或者進(jìn)行一些物理功能測(cè)試、組裝驗(yàn)證、實(shí)際外觀和效果檢驗(yàn)，甚至可以先將小批量組裝的產(chǎn)品投放市場(chǎng)，達(dá)到拋石問(wèn)路的目的?？焖俪尚图夹g(shù)的主要應(yīng)用如下：

汽車(chē)、摩托車(chē) : 外形及內(nèi)飾件的設(shè)計(jì)、改型、裝配試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)、汽缸頭試制。

家電 : 各種家電產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配試驗(yàn)與功能驗(yàn)證，市場(chǎng)宣傳，模具制造。

通訊產(chǎn)品 : 產(chǎn)品外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，裝配試驗(yàn)，功能驗(yàn)證，模具制造。

航空、航天 : 特殊零件的直接制造，葉輪、渦輪、葉片的試制，發(fā)動(dòng)機(jī)的試制、裝配試驗(yàn)。

輕工業(yè) : 各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、裝配，市場(chǎng)宣傳，玩具、鞋類(lèi)模具的快速制造。

醫(yī)療 : 醫(yī)療器械的設(shè)計(jì)、試產(chǎn)、試用， CT 掃描信息的實(shí)物化，手術(shù)模擬，人體骨關(guān)節(jié)的配制。

國(guó)防 : 各種武器零部件的設(shè)計(jì)、裝配、試制，特殊零件的直接制作，遙感信息的模型制作。

精密鑄造：在由于光固化快速成形設(shè)備使用的液態(tài)樹(shù)脂是由碳、氫、氧等元素組成的高分子材料，在700℃以上的溫度下，可以完全燒蝕，沒(méi)有任何殘留物質(zhì)，對(duì)于失蠟法制造精密鑄造模型來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)非常重要的性能。 目前在珠寶行業(yè)可代替人工雕蠟過(guò)程，可大大提高成型精度和效率。

SLA作為3D打印成型的一種方式，因其材料多樣化，價(jià)格便宜，已被大眾所接受，在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。今天，我們將介紹SLA 3D打印技術(shù)的基本原理，一起來(lái)了解SLA打印的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性。

什么是SLA？

立體光刻(SLA)是一種增材制造工藝，屬于槽光固化家族。在SLA中，模型是通過(guò)使用紫外(UV)激光束選擇性地一層一層地固化聚合樹(shù)脂而成。SLA中使用的材料是液體光敏熱固性聚合物。

作為第一項(xiàng)3D打印技術(shù)，SLA成名很早，其發(fā)明者早在1986年就為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專利。如果模型需要高精度或光滑表面，SLA是最具性價(jià)比的3D打印技術(shù)。當(dāng)充分了解制造過(guò)程的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性時(shí)，就能打印出最佳效果。

相關(guān)資料：SLA 3D打印技術(shù)的基本原理：優(yōu)缺點(diǎn)和局限性

SLA與數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)有許多共同點(diǎn)，DLP是另一種槽光固化打印技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這兩種技術(shù)可以視為一種技術(shù)。

SLA的工作原理

成型平臺(tái)固定在液體樹(shù)脂槽中，距離液體表面一層的高度。

紫外激光通過(guò)選擇性地固化光聚合樹(shù)脂，一層層打印。激光束通過(guò)一組叫g(shù)alvos的鏡子聚焦在設(shè)定的路徑上。對(duì)模型的整個(gè)橫截面進(jìn)行掃描，使打印部分固化。

當(dāng)一層打印完成后，成型平臺(tái)移動(dòng)到一個(gè)安全的距離，刮刀給表面覆上新的一層。重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到模型打印完成。

打印完成后，模型處于柔軟、未完全固化的狀態(tài)。如果需要較高的機(jī)械性能和熱性能，就需要在紫外光下進(jìn)行進(jìn)一步的后處理。

液體樹(shù)脂通過(guò)一種稱為光聚合的過(guò)程固化：在固化過(guò)程中，組成液體樹(shù)脂的單體碳鏈被紫外激光作用，變成固體。光聚合的過(guò)程是不可逆的，SLA模型無(wú)法還原為液態(tài)：當(dāng)加熱時(shí)，它們會(huì)燃燒而不是熔化。這是因?yàn)镾LA生產(chǎn)的材料是由熱固性聚合物制成的，而不是FDM使用的熱熔性塑料。

打印機(jī)參數(shù)

在SLA系統(tǒng)中，大多數(shù)打印機(jī)參數(shù)由制造商固定，不能更改。唯一能自定義的是層高和模型方向(后者決定支撐位置)。

SLA中的層厚度在25到100微米之間。較薄的層厚度可以更精確地捕捉曲線幾何圖形，但會(huì)增加打印時(shí)間(和成本)以及打印失敗率。100微米的層厚適用于大多數(shù)常見(jiàn)軟件。

打印尺寸是另一個(gè)很重要的參數(shù)。打印尺寸取決于SLA機(jī)器的類(lèi)型。有兩種主要的SLA機(jī)器類(lèi)型：下沉式和上拉式。

下沉式SLA打印機(jī)將激光光源置于料槽上方，模型朝上。成型平臺(tái)從樹(shù)脂槽的頂部開(kāi)始，每層成型后向下移動(dòng)。

上拉式SLA打印機(jī)將光源置于樹(shù)脂槽下方，模型向下成型。料槽底部透明，帶有硅酮涂層，涂層讓激光通過(guò)，并讓固化樹(shù)脂不粘貼在槽底。在每一層成型后，固化的樹(shù)脂被從槽底分離出來(lái)，隨著成型平臺(tái)向上移動(dòng)。這個(gè)步驟就是剝離。

上拉式主要用于桌面級(jí)打印機(jī)，而下沉式通常用于工業(yè)SLA系統(tǒng)。上拉式SLA打印機(jī)更容易生產(chǎn)和操作，但是它們的打印尺寸很受限，因?yàn)樵趧冸x過(guò)程中的拉力可能會(huì)導(dǎo)致打印失敗。而下沉式打印機(jī)可以兼容非常大的打印尺寸，精度也不會(huì)有很大的偏差，但價(jià)格卻很貴。

支撐結(jié)構(gòu)

SLA打印始終需要支撐結(jié)構(gòu)。支撐結(jié)構(gòu)采用與模型相同的材料打印，打印后必須手動(dòng)拆除。模型方向決定了支撐的位置和數(shù)量。合理擺放模型方向，確保美觀度重要的展示面不會(huì)接觸到支撐結(jié)構(gòu)。

上拉式和下沉式SLA打印機(jī)使用支撐的方式不同：

下沉式SLA打印中，支撐添加類(lèi)似于FDM。懸空和跨橋需要精準(zhǔn)打印(臨界懸空角度通常是30°)。模型可以朝任何方向擺放，但通常是都是平放，以盡量減少支持的數(shù)量和總層數(shù)。

上拉式SLA打印中，情況就要復(fù)雜得多。懸空和跨橋仍然需要支撐，但是最小化每一層的橫截面積至關(guān)重要：在剝離過(guò)程中施加到模型上的力可能會(huì)導(dǎo)致它與成型平臺(tái)分離。這些力與每層的橫截面積成正比。因此，模型需面向某一角度，相對(duì)而言減不減少支撐，就不是那么重要。

卷曲

通過(guò)SLA打印的模型，可能會(huì)有一個(gè)很大的問(wèn)題就是卷曲。卷曲類(lèi)似于FDM中的翹邊。

在固化過(guò)程中，當(dāng)被打印機(jī)的光源照射，樹(shù)脂會(huì)輕微收縮。當(dāng)收縮幅度較大時(shí)，新層與原凝固材料之間會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，從而導(dǎo)致模型的卷曲。

固化

SLA打印的模型具有等方性的機(jī)械性能。這是因?yàn)閱未巫贤饧す庹丈洳蛔阋酝耆袒后w樹(shù)脂。隨后激光再次照射，讓之前的固化層凝固到一個(gè)非常密集的程度。事實(shí)上：

在SLA中，即使打印完成后，固化仍在繼續(xù)。

為了獲得最佳的機(jī)械性能，SLA模型必須進(jìn)行后固化，可以將其置于強(qiáng)光下的固化箱中(有時(shí)在高溫下)。這大大提高了SLA零件的硬度和耐溫性，但也使其更易碎。

例如，用SLA桌面級(jí)打印機(jī)打印的標(biāo)準(zhǔn)透明樹(shù)脂模型，在后固化后，抗拉強(qiáng)度幾乎增加了2倍(從38MPa到65MPa)，耐溫性也增加了(從42攝氏度到58攝氏度)，但斷裂延伸率也幾乎降低到之前的一半(12%到6.2%)。

把模型放在陽(yáng)光下也會(huì)加速固化。但長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外線下會(huì)對(duì)SLA模型的物理性能和外觀產(chǎn)生有害影響：可能會(huì)卷曲、變得非常脆弱并變色。因此，建議晾曬前噴涂一層透明紫外丙烯酸涂料。

常用的SLA材料

SLA材料為液體樹(shù)脂。每升樹(shù)脂的價(jià)格差別很大，便宜的有50美元左右的標(biāo)準(zhǔn)材料，貴的有400美元以上的特殊材料，如澆注料或牙科樹(shù)脂。工業(yè)系統(tǒng)材料選擇比桌面及SLA打印機(jī)更廣泛，這就能更好地控制模型的機(jī)械性能。

SLA材料(熱固性材料)比FDM或SLS(熱塑性塑料)材料更脆弱，因此SLA模型通常不能用來(lái)承受較大負(fù)載。當(dāng)然未來(lái)材料的進(jìn)步可能會(huì)改變這一點(diǎn)。

后處理

SLA模型可以通過(guò)各種后處理方法，如砂光、拋光、噴涂涂層和使用礦物油等，獲得非常高的品質(zhì)。

透明樹(shù)脂外層后處理后的各種效果。從左至右：去除支撐，水磨，防紫外線噴涂，拋光

SLA的優(yōu)勢(shì)和限制

SLA的主要優(yōu)缺點(diǎn)概括如下:

SLA可以生產(chǎn)尺寸精度非常高、細(xì)節(jié)復(fù)雜的零件。

SLA模型表面光潔度高。

SLA能使用特殊的材料，如透明、柔韌、澆鑄樹(shù)脂等。

SLA部件通常很脆弱，不適合功能性應(yīng)用。

當(dāng)SLA模型暴露在陽(yáng)光下時(shí)，其機(jī)械性能和外觀會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。

始終需要支撐，并且需要后處理來(lái)消除支撐留下的印記。