光固化快速成型技术(StereolithographyApparatus简称SLA)又称立体光刻技术或立体光固化。其工作过程为在计算机控制下,紫外激光束以各分层横截面的轮廓数据为依据依次对原料池中的光敏树脂进行扫描,紫外光经过的区域,光敏树脂吸收光能发生光聚合从而固化,形成了一个薄截面层。当一层固化完成后,计算机控制工作台移动一个层厚(0.1mm)的高度,在上一层固化的树脂表面上又会铺上一层未固化的液态光敏树脂,重复上一层的固化过程,新固化层会牢牢的粘结在前一层上。如此重复,层层堆积,最终形成整个产品模型。
光固化快速成型系统及原理
光固化快速成型技术所用的仪器为光固化快速成型机,市场上的光固化快速成型机一般由激光器、光学系统、扫描控制系统以及分层叠加固化成型系统组成。
紫外激光器的种类有很多,比较常见的有He-Cd激光器、氩离子激光器、YAG激光器和YVO4,在激光快速成型系统中比较常用的有He-Cd激光器和YVO4激光器。
激光快速成型机的工作原理为:激光器发射出直径为1.5nm到3.0mm的激光束,激光束依次经过反光镜、光阑、反射镜到达动态聚焦镜。动态聚焦镜对光束进行扩束后,光束通过聚焦到达X轴振镜,从X振镜折射到Y振镜,最终激光束投射到光敏树脂表面上。计算机程序控制X轴和Y轴振镜的移动,使激光光斑在平面上移动,控制工作台的上下移动,使得样件产生厚度(即Z轴)。
光固化快速成型技术的发展
在快速成型技术中,光固化快速成型技术是研究最深入,发展最迅速,应用最广泛的技术,同时也是目前最成熟的快速成型技术。在目前已商业化的快速成型制造技术中,立体光刻具有成型效率高、精度高、表面光滑、材料使用率高、强度和硬度适中等优点,使得光固化快速成型在市场中占据着主导地位。20世纪70年代末,美国3M公司的AlanJ.Hebert提出了快速成型的概念,即利用连续层的选区固化产生三维实体的构想。1986年CharlesW.Hull制造出了世界上第一台快速成型机SLA—I(Stereolithogra.PhyApparatus—I),并于同年申请并获得美国专利(US4575330A)。随后,Hull与UVP的股东RaymondFred共同创立了3Dsystems公司,从此光固化快速成型开始走向了商业化的道路。
经过30多年的发展,光固化快速成型技术已经取得了长远的发展,从事光固化快速成型方法研究的企业和机构也迅速发展。目前国外从事光固化快速成型方法研究的公司有:3DSystems公司、EOS公司、CMET公司、F&S公司、D—MEC公司、TeijinSeiki公司、MitsuiZosen公司等。在光固化快速成型技术领域中美国3DSystems公司占有的市场份额最大,自1988年推出SLA固化机以后,3DSystems在技术上不断地创新,期间主要推出的SLA一3500和SLA一5000型号固化机,扫描速度分别达到了2540mm/s和5000mm/s,成型层间厚度最高可以达到0.05mm。在1999年,该公司推出的SLA一7000机型与之前该公司的SLA一5000相比,在成型体积没有增加的前提下,其激光扫描速度却提高到9520mm/s,成型速度提高了大约4倍,成型效率大大提高,单层成型层厚降低了一倍,打印精度相应的提高了一倍。
相比于国外的发展,我国在光固化快速成型技术领域的研究始于20世纪90年代中后期,虽然起步相对较晚,但是在国家大力支持下发展比较迅速,取得了丰厚的研究成果。从国内申请的专利中可以看出:从1990年开始,截至2013年6月30日.我国累计申请光固化快速成型的专利数量为226件。在1990年全球光固化快速成型技术的专利申请量开始迅速增加的大背景下,国内的申请量仅为3件。但是从2004年开始中国光固化快速成型技术的专利申请量开始迅速增加,并且一直保持着每年较高数量的申请,其中在2004到2012年间,共有190件专利诞生,占申请总量的84.1%;而前十四年的申请量却仅占总申请14.2%。鉴于目前全社会对3D打印技术的高度关注,结合全球光固化快速成型技术的发展趋势,国内对于光固化快速成型技术的专利申请量还会保持较高水平。
国内从事光固化快速成型技术研究的企业和机构主要有西安交通大学、清华大学、南京理工大学、无锡易维模型设计制造有限公司、华中科技大学、江苏文光车辆附件有限公司、西安瑞特快速制造工程研究有限公司等。这些企业和机构对光固化快速成型的装置、应用、方法、材料进行了细致的研究,其中西安交通大学推出了LPS与SPS系列光固化成型机,其成型机实用性强,为国内的光固化快速成型技术装置的制造奠定了扎实的理论基础。西安交通大学在推动SLA技术应用于医学领域中做了大量工作。清华大学对快速成型技术做了深入研究,其中对快速成型工艺的理论研究,使其掌握了设备制造的关键技术,达到世界较高水平。清华大学还制造了一种双激光系统快速成型机,成型空间高达600mm×800mm×750mm,其成型空间在当时世界领先。除此之外清华大学与长春一汽集团建立合作,双方正尝试将SLA运用到汽车大型模具制作过程中。西安交通大学和华中科技大学在光固化快速成型的材料领域也做了相关研究。
光固化快速成型技术的应用
由于光固化快速成型技术存在产品的制作周期短;尺寸精确度好;能够制作造型复杂的样件等优点,目前已经得到广泛应用。其应用领域主要集中在以下方面:
- 消费品/电子领域。光固化快速成型技术可以运用到工艺品领域,制造传统工业难以加工或成型周期比较长的工艺品中。在电子领域也应用比较广泛。
- 医学医疗领域。在医学上需要许多模型,像人体器官,骨骼,血管等可以使用光固化快速成型机来制作。同时人的牙齿在光快速成型技术领域得到了极大的应用,所制作出来的模型不仅精确度高,而且形象生动具体[28-29]。
- 汽车领域。在汽车领域主要体现在模型的设计与制作。在汽车领域引入光固化快速成型技术大大缩短了汽车研发的周期,降低了研发的成本。
- 航空航天领域。目前航空航天工业采用SLA制造飞机模型,机翼模型,螺旋桨叶片,引擎部件以及导弹模型。