SLA光固化立体成型.docx

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1、液态材料增材制造系统液态材料增材制造系统(1iqUid-BaSedAMSyStem)是指使用的成型材料为液态材料的增材制造系统，通常这类材料都是光敏树脂。按照使用光源类型可将液态材料增材制造系统为为三类：使用紫外激光器的液态材料增材制造技术，主要有S1A技术；使用紫外光的材料喷射技术(Materia1Jetting),主要有PO1yJet和MJP；使用数字光处理器投影仪的液态材料增材制造技术，即D1P成型技术。一、光固化立体成型(S1A/S1)光固化立体成型(S1A或S1,Stereo1ithographyApparatus),也称光固化成型、立体光刻、立体平版印刷、激光扫描成型等。光固化立体

2、成型技术最早出现在1981年，日本名古屋市工业研究所的小玉秀男(HideoKodama)发表了题为“基于聚合物光固化法的三维塑料模型自动成型方法”(Automaticmethodforfabricatingathree-dimensiona1p1asticmode1withphoto-hardeningpo1ymer)的研究论文，提出了一种利用紫外光照射光敏树脂、分层堆积制造三维塑料模型的方法。1983年，美国人ChUCkHUn制造了首个3D打印部件，成功发明了光固化立体成型技术，他在1984年申报了相关专利并于1986年获批。1986年ChUCkHUH等人联合创立了世界上第一家生产3D打印设

3、备的企业一一3DSystems公司，这是3D打印技术发展的一个里程碑，标志着3D打印技术从研究阶段进入了实用阶段。1987年，3DSystems推出全球首款商用3D打印机S1A-Io光固化立体成型是利用紫外激光按照CAD分层数据转换成的数控加工代码逐点、逐层扫描液态紫外光敏树脂材料，引发被辐射区域树脂发生连锁化学反应，形成线性、交联结构的高分子聚合物，从而使激光扫描轨迹上的液态树脂固化，并通过逐层累积叠加制造出三维实体零件。,种说法是StereoIithogr叩hy是由希腊语StereOn(立体)、IithoS(石头)和graphy(书写)三个单词组成的混成词。2有意思的是在ChUCkHUH正

4、式申报专利三周之前，法国人AIain1eMehaute、OIiVierdeWme和JeanCIaUdeAndr6也提交了关于光固化立体成型工艺的专利申请，但该发明专利后来被法国通用电气公司(后来的阿尔卡特-阿尔斯通)和C11AS(激光工业有限公司)丢弃不用。U.S.Patent4,575,330(ApparatusforProductionofThree-Dimensiona1ObjectsbyStereo1ithography)0ChUekHUII（右-）和S1AH光固化立体成型3D打印机Hisioricmechawca1ENG1NE叩NG1ANDMARKWR；3DSYSTEMSS1A-I3

5、D!PRINTER,wwrwirw-wrrw.THIS1987Y,.THEFIRST3D!PRINTER!MANUFACTURED.FORCOMMERCIA1(SA1E(ANDiSE.THISSYSTEHPIONEEREDTHERAPIDDEVE1OPMENTOFADDITIVEMANUFACTURING,A(METHODINWHICHMATERIA1ISADDED1AYER-BYr1AYERTOFORM(SO1IDOBJECT/ASOPPOSEDTOm)TRADITIONA1MANUFACTURINGINWHICHMATERIA1ISCUTRMACHINEDAWAY.THES1A-IISBA

6、SED(ONSTEWO1ITHOGRAPHY,USINGJArPRECISE1YCONTRO11ED,BEAMOFU1TRAVIO1ETIIGHTT0SO1IDIFY1IQUIDPO1YMERSONE1AYERATAY：.，；.-,.CHAR1ESHU11DEVE1OPEDSTEREO1ITHOGRAPHYIN1983ANDiFORMED&DSYSTEMSTOMANUFACTUREANDMARKETACOMMERCIA1PRINTER：3DPRINTERS!BASEOONHU11SDESIGNARENOWWIDE1YUSEDTO,MAKECOMP1EXCOMPONENTS)N1AWIDEVAR

7、IETYOFMATERIA1S.小舞IEJ叫伽EBiCANSoC1ET0FiMECHAN磔11ENGINEERS20162016年美国机械工程师学会（ASME）将S1A-I认定为全球第一台商业3D打印机1.S1A工艺原理S1A技术的工作原理如图所示。在树脂槽中盛满液态光敏树脂材料，成型过程开始时，可升降工作台的上表面处于树脂液面之下一个截面层厚的位置，聚焦后的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的分层截面数据在液态树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应并瞬间固化，形成零件的一个截面层片；当一层固化后，工作台下移一个层厚的距离，树脂槽中的液态树脂自动流过并覆盖已固化的截面层片，

8、刮刀按照设定的层高作往复运动，刮去多余的树脂，紧接着进行下一层扫描固化，由于激光硬化深度比一个层厚要深，新的固化层在成型的同时也与上一层结合为一体；如此反复直至整个工件制作完成。当工件制作完成后，先将工件取出，将多余的树脂排净；然后去掉支撑，用酒精、丙酮等溶剂进行清洗，然后再将工件放在紫外激光下进行整体后固化，根据需要还可进行喷砂、抛光、研磨等表面处理操作。S1A技术工作原理示意图2.成型特点S1A技术具有成型速度快、加工精度高、表面质量好、自动化程度高、以及系统运行相对稳定等特点。主要应用于打印结构复杂、精度要求较高的工件。适合于制作中小型工件，能直接得到塑料产品；S1A技术使用的树脂材料在

9、700C以上的温度下可以完全烧蚀，可以代替蜡模用于精密铸造，也可用于制作快速制模的母模。(1) S1A技术的优点 光固化立体成型是最早商业化的增材制造工艺，最为成熟，其他成型方法都以S1A技术作为参照基准； 采用激光扫描非接触式加工，成型速度快; 打印精度高，打印件的尺寸精度可以达到0.1毫米以内，国外先进设备精度可达0.075毫米； 平面分辨率高，可达4000DP1相当于平面打印位置分辨率6.35微米，能构建复杂细微结构； 表面质量较好，分层厚度最小可达25微米，也能有效减轻台阶效应对侧面精度的影响； 可以直接加工用于精密铸造的具有中空结构的消失模，也可直接制成部分塑料功能零件或软模的母模；

10、 可以制作有透明效果的制件。(2) S1A技术的缺点 S1A设备价格昂贵，使用维护成本高，对工作环境要求较高； 成型材料主要为液态光敏树脂，材料价格贵、种类较少，对存放环境有光线和温度要求，液态树脂材料有气味和轻微毒性，人体接触后容易发生皮肤过敏； S1A打印件一般需要做后固化处理进行二次固化，光敏树脂固化后材质较脆、容易断裂，固化后一般不能进行切削加工； S1A打印件的强度、耐热性和对光照射的抵抗力普遍较差，很难长时间保存； S1A打印件在成型过程中稳定性相对较低，相当于胶质状态，制品上横向凸出部分或悬臂结构如果超出一定尺寸或角度范围时.，必须要合理设置支撑，支撑结构需在工件打印结束后、未完

11、全固化之前手工去除，会影响成型精度。(3) S1A厂商及设备概况目前市场上采用S1A工艺的主要有美国3DSystems、StrataSyS等公司的产品，国内生产厂商主要有陕西恒通、上海联泰等公司。陕西恒通智能机器有限公司生产的SPS250E光固化快速成型机上海联泰科技股份有限公司生产的RSPro600光固化3D打印机4 .光固化成型材料用于光固化成型（S1A）技术的光敏树脂的基础化学组成与传统的紫外光固化物质一样，主要由可光固化的预聚物、活性稀释剂、光引发剂及辅助材料组成。早期用于S1A技术光敏树脂体系中主要的预聚物及稀释剂以丙烯酸酯类物质为主，采用自由基型光引发剂固化体系，这种体系的树脂在用

12、激光打印时固化速度快，但材料在光固化时收缩率大，成型后的器件变形厉害。另外，成型物的机械性能和耐温性也不好，实际用途小。而现在的S1A光敏树脂采用的是以丙烯酸酯和环氧化合物为主体的混合物，自由基和阳离子光引发剂双重引发的物质体系。一种优良的用于S1A技术的光敏树脂除了要求与常规紫外光固化材料有相似的特性外，如：固化前化学物理稳定性要好，固化成型时材料的收缩率要小，成型物的机械性能和热稳定性要好等，还应有其它一些特性，如：树脂粘度要低，固化产物的耐溶剂性能要好，树脂对相应频率的激光有较高的光学响应性，在3D打印时，固化速度要快,同时保持良好的成型精度及较高的力学强度等。这些特性是与光固化三维快速

13、成型的工艺技术相匹配的。用于3D打印的光敏树脂化学成分的特性将直接影响S1A技术成型器件的质量好坏。目前用于S1A工艺商品化的光敏树脂材料主要有以下四大系列： Ciba（瑞士）公司生产的CibatoOIS1系列。 DUPont（美国）公司生产的SOMOS系列。 Zeneca（英国）公司生产的StereOCOI系列。 RPC（瑞士）公司生产的RPCUre系列。5 .中国光固化快速成型系统的开拓者一卢秉恒院士卢秉恒，1945年2月出生于安徽亳州，中国机械制造与自动化领域著名科学家，现为中国工程院院士，西安交通大学教授、博士生导师，任快速制造国家工程研究中心主任、国务院机械学科评议组召集人、中国机械

14、工程学会副理事长、中国机械制造工艺协会副理事长、全国高校金属切削机床学会理事长。1967年合肥工业大学本科毕业，1986年获西安交通大学工学博士学位，师从著名教授顾崇衔。长期致力于先进制造技术的研究，主要开展了增材制造、生物制造、微纳制造与高速切削机床等方面的科研和教学工作。开发了国际首创的紫外光快速成形机及具有国际先进水平的机、光、电一体化快速制造设备和一系列快速模具制造技术，发明了农业节水滴灌器抗堵结构及其一体化开发方法。卢秉恒院士1992年，卢秉恒赴美国密歇根大学作高级访问学者。在一次参观汽车模具企业时，他首次接触到快速成型技术在汽车制造业中的应用。1993年回国后，卢秉恒带着4个博士生在简陋的实验室开始了3D打印的研发历程。自1993年以来，卢秉恒院士团队率先在国内开拓光固化快速成形制造系统研究，形成了一套国内领先的产品快速开发系统，其中5种设备，3类材料已形成产业化生产。该系统可以大大缩短机电产品开发周期，对提高我国制造业竞争能力及迎接入关挑战起到重要作用。