光固化

原理

　　"Stereo lithography Appearance"的縮寫,即立體光固化成型法。用特定波長與強度的激光聚焦到光固化材料表面,使之由點到線,由線到面順序凝固,完成一個層面的繪圖作業(yè),然后升降臺在垂直方向移動一個層片的高度,再固化另一個層面.這樣層層疊加構(gòu)成一個三維實體。

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)過時間的檢驗。

　　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,降低錯誤修復的成本。

　　5. 為實驗提供試樣,可以對計算機仿真計算的結(jié)果進行驗證與校核。

　　6. 可聯(lián)機操作,可遠程控制,利于生產(chǎn)的自動化。

 光固化的缺陷

　　1. SLA系統(tǒng)造價高昂,使用和維護成本過高。

　　2. SLA系統(tǒng)是要對液體進行操作的精密設備,對工作環(huán)境要求苛刻。

　　3. 成型件多為樹脂類,強度,剛度,耐熱性有限,不利于長時間保存。

　　4. 預處理軟件與驅(qū)動軟件運算量大,與加工效果關聯(lián)性太高。

　　5. 軟件系統(tǒng)操作復雜,入門困難;使用的文件格式不為廣大設計人員熟悉。

　　6. 立體光固化成型技術被單一公司所壟斷。

光固化成型的應用　

　　在當前應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)比較精細的尺寸成型等特點，使之得到最為廣泛的應用。在概念設計的交流、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用于航空、汽車、電器、消費品以及醫(yī)療等行業(yè)。

1 .SLA 在航空航天領域的應用

　　在航空航天領域，SLA 模型可直接用于風洞試驗，進行可制造性、可裝配性檢驗。航空航天零件往往是在有限空間內(nèi)運行的復雜系統(tǒng)，在采用光固化成型技術以后，不但可以基于SLA 原型進行裝配干涉檢查，還可以進行可制造性討論評估，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進行特殊復雜零件（如渦輪、葉片、葉輪等）的單件、小批量生產(chǎn)，并進行發(fā)動機等部件的試制和試驗。

　　航空領域中發(fā)動機上許多零件都是經(jīng)過精密鑄造來制造的，對于高精度的木模制作，傳統(tǒng)工藝成本極高且制作時間也很長。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，時間和成本可以得到顯著的降低。數(shù)小時之內(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可以制作出多種彈體外殼，裝上傳感器后便可直接進行風洞試驗。通過這樣的方法避免了制作復雜曲面模的成本和時間，從而可以更快地從多種設計方案中篩選出最優(yōu)的整流方案，在整個開發(fā)過程中大大縮短了驗證周期和開發(fā)成本。此外，利用光固化成型技術制作的導彈全尺寸模型，在模型表面表進行相應噴涂后，清晰展示了導彈外觀、結(jié)構(gòu)和戰(zhàn)斗原理，其展示和講解效果遠遠超出了單純的電腦圖紙模擬方式，可在未正式量產(chǎn)之前對其可制造性和可裝配性進行檢驗。

2 .SLA 在其他制造領域的應用

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

　　現(xiàn)代汽車生產(chǎn)的特點就是產(chǎn)品的多型號、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)代計算機模擬技術不斷完善，可以完成各種動力、強度、剛度分析，但研究開發(fā)中仍需要做成實物以驗證其外觀形象、工裝可安裝性和可拆卸性。對于形狀、結(jié)構(gòu)十分復雜的零件，可以用光固化成型技術制作零件原型，以驗證設計人員的設計思想，并利用零件原型做功能性和裝配性檢驗。

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

　　光固化成型技術在汽車行業(yè)除了上述用途外，還可以與逆向工程技術、快速模具制造技術相結(jié)合，用于汽車車身設計、前后保險桿總成試制、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加工方法，有時還需要鉗工進行修整，費時耗資，而且精度不高。特別是對于一些形狀復雜的鑄件（例如飛機發(fā)動機的葉片、船用螺旋槳、汽車、拖拉機的缸體、缸蓋等），模具的制造更是一個巨大的難題。雖然一些大型企業(yè)的鑄造廠也備有一些數(shù)控機床、仿型銑等高級設備，但除了設備價格昂貴外，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，機床的編程也很困難?？焖俪尚图夹g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)更復雜的保障。

光固化成型技術進展

　　光固化快速成型制造技術自問世以來在快速制造領域發(fā)揮了巨大作用，已成為工程界關注的焦點。光固化原型的制作精度和成型材料的性能成本，一直是該技術領域研究的熱點。目前，很多研究者通過對成型參數(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、在制件加工之前對工藝參數(shù)進行優(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度、韌性等重要指標，進而影響到SLA 技術的應用前景。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，對人體危害小，提高生產(chǎn)效率的同時大幅度地降低了成本。

　　光固化快速成型技術發(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和生物醫(yī)學兩方面展望SLA 技術。

1.微光固化快速成型制造技術

　　目前，傳統(tǒng)的SLA 設備成型精度為±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域，一般要求制件具有微米級或亞微米級的細微結(jié)構(gòu)，而傳統(tǒng)的SLA 工藝技術已無法滿足這一領域的需求。尤其在近年來，MEMS（MicroElectro-Mechanical Systems）和微電子領域的快速發(fā)展，使得微機械結(jié)構(gòu)的制造成為具有極大研究價值和經(jīng)濟價值的熱點。微光固化快速成型μ-SL（Micro Stereolithography）便是在傳統(tǒng)的SLA 技術方法基礎上，面向微機械結(jié)構(gòu)制造需求而提出的一種新型的快速成型技術。該技術早在20 世紀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)得到了一定的應用。目前提出并實現(xiàn)的μ-SL 技術主要包括基于單光子吸收效應的μ-SL 技術和基于雙光子吸收效應的μ-SL 技術，可將傳統(tǒng)的SLA 技術成型精度提高到亞微米級，開拓了快速成型技術在微機械制造方面的應用。但是，絕大多數(shù)的μ-SL 制造技術成本相當高，因此多數(shù)還處于試驗室階段，離實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)還有一定的距離。因而今后該領域的研究方向為：開發(fā)低成本生產(chǎn)技術，降低設備的成本；開發(fā)新型的樹脂材料；進一步提高光成型技術的精度；建立μ-SL 數(shù)學模型和物理模型，為解決工程中的實際問題提供理論依據(jù)；實現(xiàn)μ-SL與其他領域的結(jié)合，例如生物工程領域等。

2 .生物醫(yī)學領域

　　光固化快速成型技術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是應用于假體制作、復雜外科手術的規(guī)劃、口腔頜面修復的有效方法。目前在生命科學研究的前沿領域出現(xiàn)的一門新的交叉學科——組織工程是光固化成型技術非常有前景的一個應用領域?；赟LA技術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械性能和與細胞的生物相容性，且有利于成骨細胞的黏附和生長。如圖5 所示為用SLA 技術制作的組織工程支架，在該支架中植入老鼠的預成骨細胞，細胞的植入和黏附效果都很好。