光固化

原理

　　"Stereo lithography Appearance"的縮寫,即立體光固化成型法。用特定波長與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由點(diǎn)到線,由線到面順序凝固,完成一個(gè)層面的繪圖作業(yè),然后升降臺(tái)在垂直方向移動(dòng)一個(gè)層片的高度,再固化另一個(gè)層面.這樣層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。

光固化的優(yōu)勢

　　1. 光固化成型法是最早出現(xiàn)的快速原型制造工藝,成熟度高,經(jīng)過時(shí)間的檢驗(yàn)。

　　2. 由CAD數(shù)字模型直接制成原型,加工速度快,產(chǎn)品生產(chǎn)周期短,無需切削工具與模具。

　　3.可以加工結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜或使用傳統(tǒng)手段難于成型的原型和模具。

　　4. 使CAD數(shù)字模型直觀化,降低錯(cuò)誤修復(fù)的成本。

　　5. 為實(shí)驗(yàn)提供試樣,可以對(duì)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與校核。

　　6. 可聯(lián)機(jī)操作,可遠(yuǎn)程控制,利于生產(chǎn)的自動(dòng)化。

 光固化的缺陷

　　1. SLA系統(tǒng)造價(jià)高昂,使用和維護(hù)成本過高。

　　2. SLA系統(tǒng)是要對(duì)液體進(jìn)行操作的精密設(shè)備,對(duì)工作環(huán)境要求苛刻。

　　3. 成型件多為樹脂類,強(qiáng)度,剛度,耐熱性有限,不利于長時(shí)間保存。

　　4. 預(yù)處理軟件與驅(qū)動(dòng)軟件運(yùn)算量大,與加工效果關(guān)聯(lián)性太高。

　　5. 軟件系統(tǒng)操作復(fù)雜,入門困難;使用的文件格式不為廣大設(shè)計(jì)人員熟悉。

　　6. 立體光固化成型技術(shù)被單一公司所壟斷。

光固化成型的應(yīng)用　

　　在當(dāng)前應(yīng)用較多的幾種快速成型工藝方法中，光固化成型由于具有成型過程自動(dòng)化程度高、制作原型表面質(zhì)量好、尺寸精度高以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細(xì)的尺寸成型等特點(diǎn)，使之得到最為廣泛的應(yīng)用。在概念設(shè)計(jì)的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電器、消費(fèi)品以及醫(yī)療等行業(yè)。

1 .SLA 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

　　在航空航天領(lǐng)域，SLA 模型可直接用于風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)行可制造性、可裝配性檢驗(yàn)。航空航天零件往往是在有限空間內(nèi)運(yùn)行的復(fù)雜系統(tǒng)，在采用光固化成型技術(shù)以后，不但可以基于SLA 原型進(jìn)行裝配干涉檢查，還可以進(jìn)行可制造性討論評(píng)估，確定最佳的合理制造工藝。通過快速熔模鑄造、快速翻砂鑄造等輔助技術(shù)進(jìn)行特殊復(fù)雜零件（如渦輪、葉片、葉輪等）的單件、小批量生產(chǎn)，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的試制和試驗(yàn)。

　　航空領(lǐng)域中發(fā)動(dòng)機(jī)上許多零件都是經(jīng)過精密鑄造來制造的，對(duì)于高精度的木模制作，傳統(tǒng)工藝成本極高且制作時(shí)間也很長。采用SLA 工藝，可以直接由CAD 數(shù)字模型制作熔模鑄造的母模，時(shí)間和成本可以得到顯著的降低。數(shù)小時(shí)之內(nèi)，就可以由CAD 數(shù)字模型得到成本較低、結(jié)構(gòu)又十分復(fù)雜的用于熔模鑄造的SLA 快速原型母模。

　　利用光固化成型技術(shù)可以制作出多種彈體外殼，裝上傳感器后便可直接進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。通過這樣的方法避免了制作復(fù)雜曲面模的成本和時(shí)間，從而可以更快地從多種設(shè)計(jì)方案中篩選出最優(yōu)的整流方案，在整個(gè)開發(fā)過程中大大縮短了驗(yàn)證周期和開發(fā)成本。此外，利用光固化成型技術(shù)制作的導(dǎo)彈全尺寸模型，在模型表面表進(jìn)行相應(yīng)噴涂后，清晰展示了導(dǎo)彈外觀、結(jié)構(gòu)和戰(zhàn)斗原理，其展示和講解效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單純的電腦圖紙模擬方式，可在未正式量產(chǎn)之前對(duì)其可制造性和可裝配性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 .SLA 在其他制造領(lǐng)域的應(yīng)用

　　光固化快速成型技術(shù)除了在航空航天領(lǐng)域有較為重要的應(yīng)用之外，在其他制造領(lǐng)域的應(yīng)用也非常重要且廣泛，如在汽車領(lǐng)域、模具制造、電器和鑄造領(lǐng)域等。下面就光固化快速成型技術(shù)在汽車領(lǐng)域和鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用作簡要的介紹。

　　現(xiàn)代汽車生產(chǎn)的特點(diǎn)就是產(chǎn)品的多型號(hào)、短周期。為了滿足不同的生產(chǎn)需求，就需要不斷地改型。雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)不斷完善，可以完成各種動(dòng)力、強(qiáng)度、剛度分析，但研究開發(fā)中仍需要做成實(shí)物以驗(yàn)證其外觀形象、工裝可安裝性和可拆卸性。對(duì)于形狀、結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的零件，可以用光固化成型技術(shù)制作零件原型，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想，并利用零件原型做功能性和裝配性檢驗(yàn)。

　　光固化快速成型技術(shù)還可在發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)研究中用于流動(dòng)分析。流動(dòng)分析技術(shù)是用來在復(fù)雜零件內(nèi)確定液體或氣體的流動(dòng)模式。將透明的模型安裝在一簡單的試驗(yàn)臺(tái)上，中間循環(huán)某種液體，在液體內(nèi)加一些細(xì)小粒子或細(xì)氣泡，以顯示液體在流道內(nèi)的流動(dòng)情況。該技術(shù)已成功地用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)（氣缸蓋、機(jī)體水箱）、進(jìn)排氣管等的研究。問題的關(guān)鍵是透明模型的制造，用傳統(tǒng)方法時(shí)間長、花費(fèi)大且不精確，而用SLA技術(shù)結(jié)合CAD 造型僅僅需要4~5 周的時(shí)間，且花費(fèi)只為之前的1/3，制作出的透明模型能完全符合機(jī)體水箱和氣缸蓋的CAD 數(shù)據(jù)要求，模型的表面質(zhì)量也能滿足要求。

　　光固化成型技術(shù)在汽車行業(yè)除了上述用途外，還可以與逆向工程技術(shù)、快速模具制造技術(shù)相結(jié)合，用于汽車車身設(shè)計(jì)、前后保險(xiǎn)桿總成試制、內(nèi)飾門板等結(jié)構(gòu)樣件/ 功能樣件試制、賽車零件制作等。

　　在鑄造生產(chǎn)中，模板、芯盒、壓蠟型、壓鑄模等的制造往往是采用機(jī)加工方法，有時(shí)還需要鉗工進(jìn)行修整，費(fèi)時(shí)耗資，而且精度不高。特別是對(duì)于一些形狀復(fù)雜的鑄件（例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、船用螺旋槳、汽車、拖拉機(jī)的缸體、缸蓋等），模具的制造更是一個(gè)巨大的難題。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也備有一些數(shù)控機(jī)床、仿型銑等高級(jí)設(shè)備，但除了設(shè)備價(jià)格昂貴外，模具加工的周期也很長，而且由于沒有很好的軟件系統(tǒng)支持，機(jī)床的編程也很困難。快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，為鑄造的鑄模生產(chǎn)提供了速度更快、精度更高、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的保障。

光固化成型技術(shù)進(jìn)展

　　光固化快速成型制造技術(shù)自問世以來在快速制造領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用，已成為工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。光固化原型的制作精度和成型材料的性能成本，一直是該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，很多研究者通過對(duì)成型參數(shù)、成型方式、材料固化等方面分析各種影響成型精度的因素，提出了很多提高光固化原型的制作精度的方法，如掃描線重疊區(qū)域固化工藝、改進(jìn)的二次曝光法、研究開發(fā)用CAD 原始數(shù)據(jù)直接切片法、在制件加工之前對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等，這些工藝方法都可以減小零件的變形、降低殘余應(yīng)力，提高原型的制作精度。此外，SLA 所用的材料為液態(tài)光敏樹脂，其性能的好壞直接影響到成型零件的強(qiáng)度、韌性等重要指標(biāo)，進(jìn)而影響到SLA 技術(shù)的應(yīng)用前景。所以近年來在提高成型材料的性能降低成本方面也做了很多的研究，提出了很多有效的工藝方法，如將改性后的納米SiO2 分散到自由基- 陽離子混雜型的光敏樹脂中，可以使光敏樹脂的臨界曝光量增大而投射深度變小，其成型件的耐熱性、硬度和彎曲強(qiáng)度有明顯的提高；又如在樹脂基中加入SiC 晶須，可以提高其韌性和可靠性；開發(fā)新型的可見光固化樹脂，這種新型樹脂使用可見光便可固化且固化速度快，對(duì)人體危害小，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)大幅度地降低了成本。

　　光固化快速成型技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)比較成熟，各種新的成型工藝不斷涌現(xiàn)。下面從微光固化快速成型制造技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)兩方面展望SLA 技術(shù)。

1.微光固化快速成型制造技術(shù)

　　目前，傳統(tǒng)的SLA 設(shè)備成型精度為±0.1mm，能夠較好地滿足一般的工程需求。但是在微電子和生物工程等領(lǐng)域，一般要求制件具有微米級(jí)或亞微米級(jí)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的SLA 工藝技術(shù)已無法滿足這一領(lǐng)域的需求。尤其在近年來，MEMS（MicroElectro-Mechanical Systems）和微電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，使得微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造成為具有極大研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的熱點(diǎn)。微光固化快速成型μ-SL（Micro Stereolithography）便是在傳統(tǒng)的SLA 技術(shù)方法基礎(chǔ)上，面向微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造需求而提出的一種新型的快速成型技術(shù)。該技術(shù)早在20 世紀(jì)80 年代就已經(jīng)被提出，經(jīng)過將近20 多年的努力研究，已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用。目前提出并實(shí)現(xiàn)的μ-SL 技術(shù)主要包括基于單光子吸收效應(yīng)的μ-SL 技術(shù)和基于雙光子吸收效應(yīng)的μ-SL 技術(shù)，可將傳統(tǒng)的SLA 技術(shù)成型精度提高到亞微米級(jí)，開拓了快速成型技術(shù)在微機(jī)械制造方面的應(yīng)用。但是，絕大多數(shù)的μ-SL 制造技術(shù)成本相當(dāng)高，因此多數(shù)還處于試驗(yàn)室階段，離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。因而今后該領(lǐng)域的研究方向?yàn)椋洪_發(fā)低成本生產(chǎn)技術(shù)，降低設(shè)備的成本；開發(fā)新型的樹脂材料；進(jìn)一步提高光成型技術(shù)的精度；建立μ-SL 數(shù)學(xué)模型和物理模型，為解決工程中的實(shí)際問題提供理論依據(jù)；實(shí)現(xiàn)μ-SL與其他領(lǐng)域的結(jié)合，例如生物工程領(lǐng)域等。

2 .生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

　　光固化快速成型技術(shù)為不能制作或難以用傳統(tǒng)方法制作的人體器官模型提供了一種新的方法，基于CT圖像的光固化成型技術(shù)是應(yīng)用于假體制作、復(fù)雜外科手術(shù)的規(guī)劃、口腔頜面修復(fù)的有效方法。目前在生命科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域出現(xiàn)的一門新的交叉學(xué)科——組織工程是光固化成型技術(shù)非常有前景的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。基于SLA技術(shù)可以制作具有生物活性的人工骨支架，該支架具有很好的機(jī)械性能和與細(xì)胞的生物相容性，且有利于成骨細(xì)胞的黏附和生長。如圖5 所示為用SLA 技術(shù)制作的組織工程支架，在該支架中植入老鼠的預(yù)成骨細(xì)胞，細(xì)胞的植入和黏附效果都很好。