立體光固化增材制造技術應用現狀及展望

靳逸飛，丁永春，溫家浩

1.中船重工海為鄭州高科技有限公司 河南鄭州 450001

2.中國船舶重工集團公司第七一三研究所 河南鄭州 450001

1 序言

作為快速成形技術的增材制造（Additive Manufacturing，AM），采用工業制造領域三大種類制造方式（基于增材制造方式、基于減材制造方式和基于形變制造方式）中的基于增材制造方式，并被廣大學者和機構稱為第三次工業革命和“野蠻神器”，該技術打破了人們長久以來的傳統制造觀念，對現代制造業產生了深遠的影響，被全球眾多國家列入國家戰略規劃并大力發展，在消費電子產品、汽車、航天航空、醫療、軍工、船舶及藝術設計等多個領域都得到了廣泛應用。

增材制造技術的出現催生了許多新型產業和新型設計理念。當今主流的3D打印技術包括立體光固化成形（SLA）、選擇性激光熔化（SLM）、數字光處理成形（DLP）、熔融沉積成形（FDM）、分層實體制造（LOM）、噴墨沾粉式（PP）、選擇性激光燒結（SLS）、選擇性熱燒結（SHS）、直接激光燒結（DMLS）及電子束選區熔融成形（EBM）等[1]。其中，立體光固化成形（Stereo Lithography Appearance，SLA）是最早、最成熟且使用最廣泛的快速成形技術，具有產品開發周期短、設計自由程度高、復雜零件制造工序簡易，以及人工成本低等特點[2]。

2 SLA增材制造技術概述

2.1 技術特點

SLA相比較于其他3D打印技術，具有諸多顯著的優點：它是最早出現的快速原型制造工藝，成熟度高，經過時間的檢驗；系統工作穩定，自動化程度高，可完全實現無人值守；投資成本較低；成形精度高，一般在0.1mm以內，比其他成形技術都要精細；表面質量好，零件表面光滑，只需要少量的后處理；系統分辨力較高，可以實現結構復雜零件的加工，最小壁厚可達到0.3mm，能比其他成形技術更好地加工帶有復雜表面的薄壁零件；成形尺寸大，目前機器加工平臺可達到1400mm×700mm×500mm以內的大尺寸產品；加工速度快，掃描速度最大可到12m/s，結合可變光斑技術，可獲得很高的加工效率；材料利用率接近100%。

2.2 技術原理

SLA是目前最為成熟和廣泛應用的一種3D打印技術。它以液態光敏樹脂為原材料，首先在計算機上用三維制圖軟件對成形件制作三維模型，然后生成并輸出STL文件格式的模型，再利用切片軟件對該模型進行分層切片，得到模型的各層斷面的二維數據群Sn，將文件導入SD卡中，計算機從下層S1開始按順序將數據取出，通過氦-鎘激光器或氬離子激光器發射出的紫外激光束，在液態樹脂表面掃描出第一層的斷面形狀，被掃描部位的光敏樹脂薄層發生光聚合（固化）反應，在工作臺表面形成成形件的一個薄層界面。當一層樹脂掃描固化結束后，工作臺上移一個層厚的距離，再進行下一層紫外光掃描和樹脂固化，新固化的樹脂層與前一層牢固地黏合，如此重復，直至整個工件層疊到Sn為止，最終得到一個完整的制件實體模型，如圖1所示。

圖1 SLA基本原理

2.3 工藝流程

SLA打印機（見圖2）的機械組成部分包括激光發生器（Laser）、柔性焦距透鏡組（Lenses）、掃描器（Scanning Mirror）、容池（Vat）、升降臺（Elevator）、刮板（Sweeper）、零件分層面（Layered Part）、構建平臺（Build Platform）、液體光聚合物（Liquid Photopolymer）。

圖2 SLA典型設備示意

SLA的工作過程如下。

1）通過CAD設計出三維實體模型，利用離散程序將模型進行切片處理，設計掃描路徑，產生的數據將精確控制激光掃描器和升降臺的運動。

2）激光光束通過數控裝置控制的掃描器（X-YScanning Mirror），按設計的掃描路徑照射到液態光敏樹脂表面，使表面特定區域內的一層樹脂固化，當一層加工完畢后，就生成零件的一個截面。

3）升降臺下降一定距離，固化層上覆蓋另一層液態樹脂，再進行第二層掃描，第二固化層牢固地黏結在前一固化層上，這樣層層疊加而成三維工件原型。

4）將原型從樹脂中取出后，進行最終固化，再經打光、電鍍、噴漆或著色處理即可得到要求的產品。

SLA工藝的關鍵點在于計算機控制下的紫外激光，根據預定物品各個分層截面的邊緣為軌跡，以光敏樹脂為原料，對處于液態樹脂進行逐點掃描，這些被掃描后的樹脂薄層，發生光化學聚合反應，一個層面從而形成。運動工作臺，前層聚合完畢后，再進行一層新的液態樹脂掃描固化。每一層新的凝固層牢固地黏合在前一層上，反復操作，最終完成物品打印。

3 SLA增材制造技術應用現狀

3.1 展示設計模型定制化應用

西安美術學院的馬寰[3]采用3DSMax+Rhino等CAD三維處理軟件搭配SLA增材制造技術完成對主題大型會展“夢境識空”展示模型的設計與實現（見圖3），其中模型復雜的弧度與曲度如果使用傳統模型制作方式，則幾乎無法實現，同時縮短展示設計模型制作的周期，降低原料的使用，減少廢料的產生。

圖3 “夢境識空”主題大型會展設計模型制作

美國雷神公司曾采用SLA增材制造技術制作了一套戰術導彈全尺寸模型（見圖4），經過細節處理與上色，導彈外觀、結構和戰斗原理被清晰展示于視野之中，相對于單純的計算機圖樣模擬方式，其展示和講解效果倍增，可在該產品未正式量產之前真實地展示設計作品或還原設計意圖，在重大項目投標或重要參展活動中為其推廣創造有利條件[4]。

圖4 雷神公司的戰術導彈全尺寸SLA模型

3.2 首件快速試驗驗證應用

對于復雜系統產品的開發，采用SLA增材制造技術快速制作出部分甚至全部的零件原型，進行試安裝和系列相關裝配試驗，驗證設計開發的合理性和安裝工藝與裝配要求，更容易在短時間內發現問題或缺陷，并迅速、方便地及時解決與糾正，在開發周期、成本與進度方面具有相當積極的意義。圖5所示為運用SLA技術制作的全尺寸航空發動機模型，其內部MD-90 駕駛室操控模塊，74個零部件均為SLA增材制造技術制造而成，通過不同組件、不同顏色的處理加持，運行情況展現力極強。因此，短時間、低成本樣機模型的制作，為其運動分析和可維護驗證分析提供有力支撐，整個項目節省時間10個星期，并節約資金5.16萬美元[5]。

圖5 SLA 全尺寸航空發動機模型

3.3 快速模具開發與制造方面應用

北京石油化工學院的焦向東等[6]針對采用SLA增材制造技術來制備小批量注塑模具應用進行了系列化研究，通過對光敏樹脂材料本身性能的提升來滿足注塑模具所需的強度、導熱性與耐磨性性能條件，通過加入固體陶瓷強化的環氧樹脂混合料來提高材料成形的強度和耐磨性，利用SLA復雜結構成形特點制備中空外殼模具填充鋁粉與環氧樹脂混合物來提高材料成形的導熱性能和強度等方法研究，成功制備出可用來注射低密度聚乙烯產品的模具，使用壽命為120件。

劉洋[7]利用SLA增材制造技術與快速精密鑄造技術相結合，衍生出SLA直接熔模精密鑄造、SLA間接模具制造精密鑄造技術工藝。圖6所示為直接熔模工藝流程，利用SLA技術制備精密鑄造用熔模代替蠟型模具來進行直接高溫燒制脫模，完成鑄件生產；圖7所示為間接模具制造工藝流程，利用SLA原型通過真空澆注方法制備硅膠模具作為模具，經注蠟制備出精密鑄造用蠟模，最后利用傳統精密鑄造工藝完成鑄件生產。

圖6 SLA直接熔模精密鑄造工藝流程

圖7 SLA間接模具制造精密鑄造工藝流程

3.4 工業設計創新應用領域

SLA 增材制造技術應用于工業設計領域，不但縮短產品研發周期，降低新產品開發風險，而且使產品設計更具人性化、個性化，同時讓設計師在工業設計觀念、程序、方法等方面，與產品、企業、消費者之間重構了良性關系。常偉[8]通過微觀分析細胞結構作為設計靈感，利用SLA技術來實現，完美詮釋了人體工程學的設計理念，同時還提出在工業設計的藝術創新戰略，工業設計師需要在整個設計過程通盤考慮所需材料的特性，而非最后工序，從而在工業設計領域中，更好地滿足不同設計學科對產品色彩、形態、宜人性和美學性等指標的量化描述，體現SLA技術在工業設計創新戰略中“人、信息、技術”研究創新的發展思路。

4 SLA增材制造技術存在的問題

4.1 材料性能差

SLA技術發展迅速，但目前在SLA領域的市場份額相對較低，這主要是由于打印的材料自身性能有缺陷，例如力學性能不足，打印的對象不能直接作為結構件使用。SLA技術采用的材料又稱光敏樹脂，通常由低聚物、活性稀釋劑和光引發劑及其他添加劑組成，其性能普遍較脆、韌性差，這些材料經不起沖擊。此外，SLA材料的生物相溶性較差也限制了其在生物工程材料中的應用。

4.2 設備智能化及自動化程度不高

目前，國內的SLA打印機大多是采用激光頂部照射的工業機，主要缺點是無論打印樣件體積多大，但由于存放在容器槽的樹脂較多，這樣就造成揮發的樹脂也會較多，產生原材料的浪費，而且樹脂材料是有毒性的，應用環境不利于工作人員的健康；若想換取不同的材料打印，則要將樹脂槽內的光敏樹脂全部清理更換，實際操作非常不方便，一臺機器一般只能使用一種材料，不能一機多用；在設備打印過程中，工件是完全浸沒于液態樹脂中，無法查看打印效果，一旦初期就出現打印問題，由于操作者無法獲得信息反饋，因此不能采取相應停止措施，就會造成材料與時間的雙重浪費。采用激光底部掃描的 SLA打印設備是將激光裝置移至打印機的底部，雖然采用從底層掃描的方式可以有效地解決樹脂更換麻煩與打印情況不明的問題，但是目前仍存在與激光固化樹脂功率和掃描速度等因素有關的稍大體積樣件與工作臺黏結牢固性問題。

4.3 技能型人才匱乏

目前，SLA增材制造技術在應用時，對產品設計、參數處理等方面的專業性要求較高，除了增加工作人員的負擔外，也帶來了入門門檻高的問題。增材制造高新技術技能型人才正在成為企業和科研院所追逐的焦點，但目前有開設增材制造專業的高校較少，即便已經開設的院校，作為新興行業的增材制造技術迭代和沉淀不足，也就很難培養出優秀的增材制造技術人才，導致市面上設備多而會操作的人員少的現象，同時具備全面和綜合的知識儲備（掌握不同3D打印工藝的特點、三維建模軟件的使用、三維掃描技術、激光內雕技術、三維模型的切片、支撐及后處理技術等）、掌握基于知識轉化的技能與技術、積極高效的設計迭代思維與開發技能的技能型人才更是鳳毛麟角。

5 SLA增材制造技術的發展需求及前景

5.1 完善標準體系

SLA增材制造技術的發展前景廣闊，在市場規模不斷擴大的背景下，要想讓增材制造可以得到規范化、產業化發展，必須加強頂層設計、健全標準，因此亟待由政府相關部門或行業內權威機構，盡快編制并出臺統一的制度標準，包括材料生產標準、設備研發標準、技術評估標準、設計標準及認證檢測標準等在內的一整套SLA增材制造標準體系。國外增材制造標準體系如圖8所示 。

圖8 國外增材制造標準體系

有了完善的標準制度，可為SLA增材制造技術發展提供強有力的保障。例如，近年來許多科研單位在納米材料、高分子復合材料、功能梯度材料方面展開了深入探究。在實行統一標準后，對各類材料的參數、標準等予以規范，在選購SLA增材制造材料時，檢查是否符合標準規范，從而杜絕劣質、“山寨”材料，保證打印產品的性能和質量。

專利權是專利權人的一種法定壟斷權，實現專利的有效布局是專利權人控制和引領市場的重要途徑之一，但只有技術標準與專利戰略協同發展，才能深度參與國際技術市場競爭，具備引領國際產業發展的話語權，SLA增材制造作為一個新興產業同樣面臨著技術標準的制定和實施。技術標準與專利的結合就會產生所謂標準必要專利，而標準必要專利又往往是具有高價值的核心專利，我國官方機構和企業除了加強技術研發、提升專利質量之外，還應積極參與國際標準制修訂，推動國家標準的建立，這是掌握標準必要專利的主要途徑，也是占領專利、市場乃至科技制高點的必經之路，必須給予高度重視。

5.2 實現降本增效

當一個行業發展到一定規模或是遇到發展瓶頸時，降本增效不失為一個很好的思路。SLA有廣闊的應用前景，也是研究最為透徹的打印技術。目前，SLA應用于企業實際生產的還較少，較多處于科研院校的研究中。部分原因在于，其設備、光敏樹脂、打印服務價格昂貴，同時一般光敏樹脂固化后不可回收利用、后處理工序及更換樹脂時清洗容池需要大量的溶劑等。這些存在的問題在一定程度上制約了SLA快速發展、應用及推廣的步伐，其也是降本增效的著手點。

5.3 配套新材料開發

過去幾年間，隨著增材制造設備出貨量的增長，增材制造設備的產業鏈發生了明顯的變化。全球增材制造設備領先的企業（如Stratasys和3D Systems等）都開始把業務從設備延伸到材料和服務領域，它們試圖在增材制造領域建立類似傳統打印行業的盈利模式，即賣設備掙錢不多，賣打印耗材成為主要的盈利方式。

在中國，高質量的SLA增材制造材料（即光敏樹脂）還比較短缺。例如，在SLA增材制造材料領域，國產材料能夠達到的打印精度與進口材料相比差一個檔次。雖然國產材料的價格只是進口材料的一半，但用戶在打印精度要求較高的產品時還是會優先選用進口材料。這些利潤豐厚且有技術含量的3D打印材料領域為國內相關材料企業提供了很好的、替代進口的潛在市場。目前，不同非金屬材料利潤分布如圖9所示，從圖9可看出，聚酰胺為非金屬中利潤最多的材料。

圖9 不同非金屬材料利潤分布

目前，SLA材料主要作為臨時材料使用，如失蠟鑄造、模型、原型設計等，極大地限制了該技術的推廣和使用。SLA技術的一個重要特點是光敏樹脂必須具有低黏度或良好的流動性。低黏度樹脂具有較小的分子量，這導致了高交聯度的光固化材料進一步使材料變得硬脆。但如果使用分子量較大感光樹脂，則黏度就會很高。樹脂的黏度和性能之間的矛盾是目前SLA技術難以解決的問題。

3D打印未來的市場機會在于材料，而以下3個方面是今后SLA材料研究與應用的熱點。

（1）功能化光敏樹脂 近年來，SLA技術被廣泛應用于生物、醫療領域，開發出抗菌聚合物光敏樹脂、多孔性骨骼或生物組織工程支架用光敏凝膠材料和硬組織修復用光敏樹脂材料等，材料具有生物相溶性，可實現生物器官的3D打印成形。

（2）高精度、快速成形的光敏樹脂 3D打印成形部件通常需要3～4h以上，增加了產業的商業成本，此外SLA的3D打印材料是以層疊加成形，層與層間連續性導致成形部件精度低。因此，實現光敏樹脂界面間連續固化成形、提高成形精度，是未來研究方向。

（3）無毒環保型光敏樹脂 通常光敏樹脂配方中需要添加稀釋劑，以達到降低黏度的目的，稀釋劑存在揮發現象，會造成大氣污染和資源浪費，因此開發新型無溶劑、低黏度綠色環保的光敏樹脂成為一大研究熱點。

5.4 全過程自主可控

從專利技術演化路徑角度來看，中國專利落后于美國專利4～6年。但由于專利的披露較技術的實際進展存在一定差距，兩國實際技術差距應在10年以上。作為重要戰略技術，3D打印不能始終跟著別人走，也不能被別人牽著鼻子走。因此，需從國家層面、行業層面、企業層面，實施創新驅動發展戰略，布局有助于3D打印發展的戰略與政策，提高自主創新能力，加快推進技術轉化及產業化，從模型設計始端到后處理終端實現自主技術，材料、裝備、技術等不能受控于國外，要完全國產化，甚至“卡別人脖子”。

6 結束語

被廣大學者譽為“第三次工業革命”的增材制造技術，自誕生之日起，便深受全球眾多國家的關注并大力發展，在越來越多的科研院所及企業中得到了大量研究與部分應用。目前，SLA增材制造技術作為增材制造技術中發展迅速、最為成熟的一種技術，廣泛應用于展示模型制作、首件試驗件、鑄造與注射成形模具、工業設計等領域，為我國可持續發展提供了新的解決方法，大幅度減少了資源浪費。但SLA技術更加成熟地發展仍面臨著眾多機遇和挑戰，材料科學和3D打印其他相關領域技術的成熟、計算機軟硬件的迅猛發展，以及高科技部門創造力的協同作用，是應對這些挑戰的關鍵舉措。今后，完善標準體系、提高智能化程度、大力發展新材料、實施降本增效，以及加快技能型人才的培養等，是SLA領域的發展趨勢。因此，緊跟時代發展潮流，扎根材料、設備、工藝、后處理、流程及服務等基礎研究，掌握關鍵技術及核心技術，不斷提升SLA打印技術水平、打印服務水平，是我國未來SLA增材制造技術的發展道路。