光固化快速成型(stereo lithography apparatus,SLA),是最早發展起來的快速成型技術。利用材料累加成型的基本原理,以液態光敏樹脂為原料,通過控制紫外光束掃描液態光敏樹脂,使其有序固化成型,材料利用率接近100%.激光照射液態光敏樹脂固化分層進行三維物體成型的概念,最初是由美國的Charles W. Hull在他的博士論文中提出,并獲得了專利.同年,由3D Systems公司推出第一臺商品化的光固化快速成型設備.
光固化快速成型作為一種多學科、多技能高度交叉集成的技術,其整體性能的發展依賴于各部分單元技術的發展.目前從事光固化成型技術研究的公司中,美國的3D Systems公司在國際市場上所占的份額最大,另有Stratasys公司、德國EOS公司、日本CMET公司，Denken Engineering公司、Autostrade 公司以及國內的西安交通大學等.光固化快速成型技術以其卓越的成型性能,成型工件可作為功能件直接應用,并且具有較高的強度和硬度,對于特別復雜件、特別精細件也可進行成型,因此被廣泛應用于各個領域.
1、傳統光固化快速成型原理
光固化快速成型原型機的系統結構如圖1 所示,基于液態光敏樹脂的光固化原理. 光固化開始后,在升降臺表面首先附上一定厚度的液態樹脂,振鏡系統在計算機控制下,使聚焦后的紫外激光束按零件分層后的掃描路徑,在液態樹脂表面進行掃描,完成第一個固化層,升降臺下移一定距離,并由刮刀刮平固化層表面的樹脂,再進行后續層的掃描,新的固化層在前一層的表面固化,計算機根據零件各層的分層信息重復整個工作流程,直至工件加工完成.將工件取出后或進行進一步固化或直接進行后續的表面處理,如噴砂、打磨等.
2、光固化成型技術的研究進展
隨著現代3D打印技術的發展,光固化快速成型技術已由傳統激光快速成型逐步向面曝光、噴射固化成型等方向發展. 超越了傳統單材、均質加工技術的限制,在材料性質和種類、制作層次、制件功能等方面有了巨大進步.國內外相關領域的學者為3D打印技術的進步做出了大量的研究工作.
2.1 傳統光固化快速成型
通過激光逐行掃描使光敏樹脂固化的傳統光固化成型方式,經過近幾十年的發展,性能和工藝特性都得到了穩步的提升. 目前傳統光固化成型系統所用光源大多采用半導體泵浦的三倍頻Nd:YVO4固體激光器替代He-Cd激光器,使激光器壽命更長,加之光學系統的改進,進一步滿足了設備對成型速度和成型精度的要求.
在提高傳統光固化快速成型精度方面,為避免樹脂涂層厚度對精度的影響,Jacobs等提出了“二次曝光法”,西安交大的學者還提出了“改進的二次曝光法”用以避免層間漂移問題.另外進行一定的光斑補償,針對不同的工件運用不同掃描方式也可有效地提高掃描精度.然而,面對逐步提升的制件標準,目前的3D打印數據標準已不能滿足高精度的制件要求.快速成型過程中,模型數據分層處理大都是基于STL格式文件的切片,其根據三角形逼近的方式產生曲面,無論精度多高也會不可避免地產生誤差.以直徑100mm的球體為例,如圖2所示,利用Pro/E導出的弦高分別為0.1和1.0時的STL格式文件.由Pro/E直接存儲為STL文件后圖形精度不能得到保證.
為避免原始模型在轉化為STL格式后精度降低的問題,美國3D Systems 公司于1992年推出了SLC數據格式,它是對三維CAD數據模型進行二維半的輪廓表述,即在z軸方向上由一系列橫截面組成,三維模型的每層截面信息由內、外邊界等多線表述.由切層導致的“臺階效應”在一定程度上導致了工件誤差的產生,如圖3所示.
更多SLA三維打印介紹，請閱讀光固化快速成型技術的進展及應用（二）；
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