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3D打印SLA光固化成型：最成熟的3D打印技术
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本帖最后由 杰呈三维科技 于
00:14 编辑
从今天开始，小熊我会正式开始技术的讲解。我不把它当作传授，因为我不是一位好老师。我更愿意把它当做交流或者是分享，这也是知识服务的本质。在3D打印领域，我不是专家，但也不浅尝辄止，而是追逐知识、观念、思想、技能的跨领域碰撞，与大家一起交流。
罗辑思维里提到，好的知识是便于大家使用的服务，而不是任何我自己自鸣得意的产品。小熊能给你的，是了解3D打印世界的入口，一本轻松实现跨行业合作的宝典，以及让你获得全球3D打印创新视野的绿卡。
今天的交流与分享，就从最早发展起来的3D打印技术--光固化成型开始。
一、&&SLA光固化发展历程
光固化技术可以追溯到1977年，美国的Swainson提出使用射线来引发材料相变，制造三维物体。由于资金问题，该项目于1980年终止。同样的研究于1984年在巴特尔实验室（Battelle Laboratories）展开，该研究项目被称为光化学加工（Photochemical Machining）。尽管当时政府为这项技术提供了完善的实验室硬件支撑，但是没能够实现商业化。
1983年，Charles Hull发明了光固化成型技术，并在1986年获得申请专利。同年，Charles Hull在加利福尼亚州成立了3D Systems公司，致力于将光固化技术商业化。1988年，3D Systems推出第一台商业设备SLA-250，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。SLA-250的面世成为了3D打印技术发展史上的一个里程碑事件，其设计思想和风格几乎影响了后续所有的3D打印设备。
二、&&SLA光固化工作原理
光固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA或SL）主要是使用光敏树脂作为原材料, 利用液态光敏树脂在紫外激光束照射下会快速固化的特性。光敏树脂一般为液态，它在一定波长的紫外光（250 nm～400 nm）照射下立刻引起聚合反应，完成固化。SLA通过特定波长与强度的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。这样层层叠加，完成一个三维实体的打印工作。
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SLA光固化工作原理
23:39 上传
SLA打印流程：
1. 在树脂槽中盛满液态光敏树脂，可升降工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束在计算机控制下沿液面进行扫描，被扫描的区域树脂固化，从而得到该截面的一层树脂薄片；
2. 升降工作台下降一个层厚距离，液体树脂再次暴露在光线下，再次扫描固化，如此重复，直到整个产品成型；
3. 升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行相关后处理，通过强光、电镀、喷漆或着色等处理得到需要的最终产品。
需要注意的是，因为一些光敏树脂材料的黏度较大，流动性较差，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。因此大部分SLA设备都配有刮刀部件，在每次打印台下降后都通过刮刀进行刮切操作，便可以将树脂均匀地涂覆在下一叠层上。
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SLA立体光固化成型工艺原理图
23:42 上传
自上而下还是自下而上？
在早期的SLA技术中，光源都是位于树脂槽上方（Top），每固化一层，打印平台会向下移动(down)，所以称为Top down结构，也称为自由液面式结构。在这种结构中，固化发生在光敏树脂和空气的界面上，所以如果使用丙烯酸类树脂，就可能有强烈的氧阻聚效应，导致打印失败。同时，由于固化发生在光敏树脂的液面，所以打印高度与树脂槽深度有关：如果需要打印一个1米高的打印件，就需要1米深的树脂。每次打印时，所需要的树脂远多于最终固化的树脂。这样可能造成浪费，也给更换不同种类的树脂带来了不便。自由液面式结构的SLA打印机一般都需要加装液面控制系统，成本较高。这样就是为什么我们一般只在工业级SLA上看到自由液面式结构。
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工业级SLA打印机的自由液面式结构
23:43 上传
工业级SLA打印机的自由液面式结构
约束液面式（Bottom up）结构是基于自由液面式（Top down）结构的改进。在这种结构中，光源从树脂槽下方往上照射，固化由底部开始。每层加工完之后，工作台向上移动一层高度，重力可以使光敏树脂流动，这样就不需要再使用刮刀涂覆了。所以每次打印时，所需要的树脂只需要略多于最终固化的树脂，降低了成本，制作时间有较大缩短。这就是为什么桌面级SLA打印机几乎都采用这种结构。
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桌面级SLA打印机的约束液面式结构
23:44 上传
桌面级SLA打印机的约束液面式结构
三、 SLA优缺点
SLA主要优点：
是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高。由CAD数字直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。成型精度高（在0.1mm左右）、表面质量好。
SLA主要缺点：
SLA系统造价高昂，使用和维护成本相对过高。工作环境要求苛刻。耗材为液态树脂，具有气味和毒性，需密闭，同时为防止提前发生聚合反应，需要避光保护。成型件多为树脂类，使得打印成品的强度和耐热性有限，不利于长时间保存。后处理相对繁琐。打印出的工件需用工业酒精和丙酮进行清洗，并进行二次固化。
四、SLA的应用
目前，用于SLA技术比较成熟的材料主要有以下四个系列：
①&&Ciba（瑞士）公司生产的CibatoolSL系列。
②&&Dupont（美国）公司生产的SOMOS系列。
③&&Zeneca（英国）公司生产的Stereocol系列。
④&&RPC（瑞士）公司生产的RPCure系列。
自从1988年美国3D Systems 公司推出第一台商品化设备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，在概念设计的交流、单件小批量精密铸造、产品模型、快速工模具及直接面向产品的模具等诸多方面广泛应用于汽车、航空、电子、消费品、娱乐以及医疗等行业。
通过快速熔模制造、翻砂铸造等辅助技术，SLA可以用于复杂零件（如叶轮）的小批量生产，并进行发动机等部件的试制和试验。利用传统工艺制造母模，成本较高且制作时间长，采用SLA技术可以直接制作熔模铸造的母模，时间和成本显著降低。
在汽车行业，为了满足不同客户的需求，需要不断地改型。因此在开发过程中需要做成实物以验证其外观形象、人体安全性测试，以验证设计人员的想法，在最终推向市场前完成设计方案。
在铸造生产中，对于一些形状复杂的铸件，模具的制造是一个巨大的难题。3D打印技术为铸模生产提供了速度更快、效率更高的解决方案。
今天的讲解就到这里。接下来，我们会从更多的角度去探讨SLA以及更多的3D打印技术。如果你有任何疑问，欢迎在后台留言。
由于小熊水平有限，文章中的疏漏和错误在所难免，恳请读者批评指正，多提宝贵意见，使之不断完善，小熊在此致以谢意。
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SLA、SLS、LOM、FDM成型的方法的区别？
本帖最后由 3D极客 于
10:00 编辑
l& &&&3D打印机的技术现在市面上已经有十几种不同的3D打印机的技术，其中比较成熟的有UV、SLA、SLS、LOM和FDM等方法。我们将在下面介绍4种目前使用比较广泛的技术：SLA技术3D打印机的原理SLA是&Stereo lithography Appearance&的缩写，即立体光固化成型法。用特定波长与强度的激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，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是最早实用化的快速成形技术，采用液态光敏树脂原料，工艺原理如图所示。其工艺过程是，首先通过CAD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后， 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，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，这样一层层叠加而成三维工件原型。将原型从树脂中取出后，进行最终固化，再经打光、电镀、喷漆或着色处理即得到要求的产品。SLA技术主要用于制造多种模具、模型等；还可以在原料中通过加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA技术成形速度较快，精度较高，但由于树脂固化过程中产生收缩，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。SLA 技术的优势<font color="#.& && &&&光固化成型法是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高，经过时间的检验。<font color="#.& && &&&由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。<font color="#.& && &&&可以加工结构外形复杂或使用传统手段难于成型的原型和模具。<font color="#.& && &&&使CAD数字模型直观化，降低错误修复的成本。<font color="#.& && &&&为实验提供试样，可以对计算机仿真计算的结果进行验证与校核。<font color="#.& && &&&可联机操作，可远程控制，利于生产的自动化。SLA 技术的缺陷<font color="#.& && &&&SLA系统造价高昂，使用和维护成本过高。<font color="#.& && &&&SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。<font color="#.& && &&&成型件多为树脂类，强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存。<font color="#.& && &&&预处理软件与驱动软件运算量大，与加工效果关联性太高。<font color="#.& && &&&软件系统操作复杂，入门困难；使用的文件格式不为广大设计人员熟悉。<font color="#.& && &&&立体光固化成型技术被单一公司所垄断。总结：SLA 的发展趋势与前景　　立体光固化成型法的的发展趋势是高速化，节能环保与微型化。　　不断提高的加工精度使之有最先可能在生物，医药，微电子等领域大有作为。SLS技术3D打印机的原理SLS(Selective Laser Sintering)选择性激光烧结（以下简称SLS）技术最初是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carlckard于1989年在其硕士论文中提出的。后美国DTM公司于1992年推出了该工艺的商业化生产设备Sinter Sation。几十年来，奥斯汀分校和DTM公司在SLS领域做了大量的研究工作，在设备研制和工艺、材料开发上取得了丰硕成果。德国的EOS公司在这一领域也做了很多研究工作，并开发了相应的系列成型设备。　　国内也有多家单位进行SLS的相关研究工作，如华中科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、中北大学和北京隆源自动成型有限公司等，也取得了许多重大成果，如南京航空航天大学研制的RAP-I型激光烧结快速成型系统、北京隆源自动成型有限公司开发的AFS一300激光快速成型的商品化设备。选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层层层叠加生成所需形状的零件。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结以及后处理等。SLS技术3D打印机的工作原理。整个工艺装置由粉末缸和成型缸组成，工作时粉末缸活塞（送粉活塞）上升，由铺粉辊将粉末在成型缸活塞（工作活塞）上均匀铺上一层，计算机根据原型的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结固体粉末材料以形成零件的一个层面。粉末完成一层后，工作活塞下降一个层厚，铺粉系统铺上新粉。控制激光束再扫描烧结新层。如此循环往复，层层叠加，直到三维零件成型。最后，将未烧结的粉末回收到粉末缸中，并取出成型件。对于金属粉末激光烧结，在烧结之前，整个工作台被加热至一定温度，可减少成型中的热变形，并利于层与层之间的结合。SLS技术的特点与其它3D打印机技术相比，SLS最突出的优点在于它所使用的成型材料十分广泛。从理论上说，任何加热后能够形成原子间粘结的粉末材料都可以作为SLS的成型材料。目前，可成功进行SLS成型加工的材料有石蜡、高分子、金属、陶瓷粉末和它们的复合粉末材料。由于SLS成型材料品种多、用料节省、成型件性能分布广泛、适合多种用途以及SLS无需设计和制造复杂的支撑系统，所以SLS的应用越来越广泛。总结：SLS技术<font color="#D打印机技术中，金属粉末SLS技术是近年来人们研究的一个热点。实现使用高熔点金属直接烧结成型零件，对用传统切削加工方法难以制造出高强度零件，对快速成型技术更广泛的应用具有特别重要的意义。展望未来，SLS形技术在金属材料领域中研究方向应该是单元体系金属零件烧结成型，多元合金材料零件的烧结成型，先进金属材料如金属纳米材料，非晶态金属合金等的激光烧结成型等，尤其适合于硬质合金材料微型元件的成型。此外，根据零件的具体功能及经济要求来烧结形成具有功能梯度和结构梯度的零件。我们相信，随着人们对激光烧结金属粉末成型机理的掌握，对各种金属材料最佳烧结参数的获得，以及专用的快速成型材料的出现，SLS技术的研究和引用必将进入一个新的境界。LOM技术3D打印机的原理分层实体制造法（LOM——Laminated Object Manufacturing），LOM又称层叠法成形，它以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）为原材料，其成形原理如图所示，激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的纸用激光切割出工件的内外轮廓。切割完一层后，送料机构将新的一层纸叠加上去，利用热粘压装置将已切割层粘合在一起，然后再进行切割，这样一层层地切割、粘合，最终成为三维工件。LOM常用材料是纸、金属箔、塑料膜、陶瓷膜等，此方法除了可以制造模具、模型外，还可以直接制造结构件或功能件。Lom技术的特点该技术的特点是工作可靠，模型支撑性好，成本低，效率高。缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。　　成形材料：涂敷有热敏胶的纤维纸；　　制件性能：相当于高级木材；　　主要用途：快速制造新产品样件、模型或铸造用木模。FDM技术3D打印机的原理熔积成型（FDM——Fused DepositionModeling）法，该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。FDM技术的特点该技术污染小，材料可以回收，用于中、小型工件的成形。下图为FDM成形原理图。　　成形材料：固体丝状工程塑料；　　制件性能：相当于工程塑料或蜡模；　　主要用途：塑料件、铸造用蜡模、样件或模型。Ps：目前国内常见的个人级3D打印机多用此技术　　除了上述4种最为熟悉的技术外，还有许多技术也已经实用化，如三维打印技术、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等这里就不做详细介绍。（其实是我也不太了解了。嘻嘻）l& &&&3D打印机技术的优点
制造快速<font color="#D打印机技术是并行工程中进行复杂原型或者零件制造的有效手段，能使产品设计和模具生产同步进行，从而提高企业研发效率，缩短产品设计周期，极大的降低了新品开发的成本及风险，对于外形尺寸较小，异形的产品尤其适用。CAD/CAM技术的集成设计制造一体化一直来说是现在的一个难点，计算机辅助工艺（CAPP）在现阶段由于还无法与CAD、CAM完全的无缝对接，这也是制约制造业信息化一直以来的难点之一，而快速成型技术集成CAD、CAM、激光技术、数控技术、化工、材料工程等多项技术，使得设计制造一体化的概念完美实现。完全再现三维效果经过快速成型制造完成的零部件，完全真实的再现三维造型，无论外表面的异形曲面还是内腔的异形孔，都可以真实准确的完成造型，基本上不再需要再借助外部设备进行修复。材料种类繁多到目前为止，各类 3D打印机设备上所使用的材料种类有很多，树脂、尼龙、塑料、石蜡、纸以及金属或陶瓷的粉末，基本上满足了绝大多数产品对材料的机械性能需求。创造显著的经济效益与传统机械加工方式比较，开发成本上节约10倍以上，同样，快速成型技术缩短了企业的产品开发周期，使的在新品开发过程中出现反复修改设计方案的问题大大减少，也基本上消除了修改模具的问题，创造的经济效益是显而易见的。应用行业领域广<font color="#D打印机技术经过这些年的发展，技术上已基本上形成了一套体系，同样，可应用的行业也逐渐扩大，从产品设计到模具设计与制造，材料工程、医学研究、文化艺术、建筑工程等等都逐渐的使用 3D打印机技术，使得 3D打印机技术有着广阔的前景。l& &&&3D打印机技术的市场应用不断提高3D打印技术的应用水平是推动这项技术发展的重点。目前，3D打印技术已在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑、影视、家电、轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到了广泛应用。并且随着这一技术本身的发展，其应用领域将不断拓展。3D打印技术的实际应用主要集中在以下几个方面：产品设计领域在新产品造型设计过程中的应用3D打印技术为工业产品的设计开发人员建立了一种崭新的产品开发模式。运用3D打印技术能够快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的实物模型(样件)，这不仅缩短了开发周期，而且降低了开发费用，也使企业在激烈的市场竞争中占有先机。建筑设计领域建筑模型的传统制作方式，渐渐无法满足高端设计项目的要求。全数字还原不失真的立体展示和风洞及相关测试的标准，现如今众多设计机构的大型设施或场馆都利用3D打印技术先期构建精确建筑模型来进行效果展示与相关测试，3D打印技术所发挥的优势和无可比拟的逼真效果为设计师所认同。机械制造领域由于3D打印技术自身的特点，使得其在机械制造领域内，获得广泛的应用，多用于制造单件、小批量金属零件的制造。有些特殊复杂制件，由于只需单件生产，或少于50件的小批量，一般均可用3D打印技术直接进行成型，成本低，周期短。模具制造领域例如玩具制作等传统的模具制造领域，往往模具生产时间长，成本高。将3D打印技术与传统的模具制造技术相结合，可以大大缩短模具制造的开发周期，提高生产率，是解决模具设计与制造薄弱环节的有效途径。3D打印技术在模具制造方面的应用可分为直接制模和间接制模两种，直接制模是指采用3D打印技术直接堆积制造出模具，间接制模是先制出快速成型零件，再由零件复制得到所需要的模具。医学领域在医学领域的应用近几年来，人们对3D打印技术在医学领域的应用研究较多。以医学影像数据为基础，利用3D打印技术制作人体器官模型，对外科手术有极大的应用价值。文化艺术领域在文化艺术领域的应用，3D打印技术多用于艺术创作、文物复制、数字雕塑等。航天技术领域在航空航天领域中，空气动力学地面模拟实验(即风洞实验)是设计性能先进的天地往返系统(即航天飞机)所必不可少的重要环节。该实验中所用的模型形状复杂、精度要求高、又具有流线型特性，采用3D打印技术，根据CAD模型，由3D打印设备自动完成实体模型，能够很好的保证模型质量。家电领域<font color="#D打印技术在国内的家电行业上得到了很大程度的普及与应用，使许多家电企业走在了国内前列。如：广东的美的、华宝、科龙；江苏的春兰、小天鹅；青岛的海尔等，都先后采用3D打印技术来开发新产品，收到了很好的效果。<font color="#D打印技术的应用很广泛，可以相信，随着3D打印技术的不断成熟和完善，它将会在越来越多的领域得到推广和应用。l& &&&3D打印机常见问题解答（问题是我自己想的，自问自答。如果您有什么问题需要解答的可以登陆我的网站进行提问）3D打印机是万能的吗？答：至少目前3D打印机并不是万能的，它的生产制品受到原料耗材的制约，如果材料学有突破的话它会更加完美。3D打印机会取代传统制造吗？答：目前看来不会，它可以改变传统制作过程中某些环节，使其更高效更节省成本。3D打印机能打印能直接打印出彩色吗？答：专业级和生产级的3D打印机很多已经能够直接打印出有颜色的物品了，本人所知道的某些3D打印机能支持390,000 色的打印了。个人级的3D打印机可以通过选择有色原料也可以制作单色的物品。为什么3D打印机有几千块的也有几十万的？答：3D打印机产品针对的市场不同分为个人级、专业级、生产级，结构和采用技术、耗材各不相同，所以价格差距很大。什么是开源3D打印机？答：开源是只某公司设计出一个产品，这个产品的核心技术对外免费开放，允许二次开发不存在技术专利。开源3D打印机对这个行业的发展带来很大的帮助，通过爱好者对开源3D打印机的DIY 研究，能使3D打印机技术更成熟，设备成本更低。如购买3D打印机需要注意那些产品参数？答：1打印技术：不同的打印技术直接影响到你能使用的耗材，从而决定了你的产品品质。<font color="#托盘尺寸：能制作多大的物件就要看这个托盘尺寸，一般来说最大支持的物件尺寸稍略小于托盘尺寸。<font color="#成型速度：3D打印机制作的快慢就看这个指标。<font color="#细节精度：3D打印机制作的物品是否精细除了设计3D模型以外这个指标也很关键。 （可以通过3D打印机的层厚和壁厚指标来参考）<font color="#支持的耗材：不同的材料直接影响你制作出物品的质量，同时不同的耗材原料价格也差距很大。
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