SLA光固化3D打印成型技术研究

孔祥忠

（湖南理工学院机械工程学院，湖南 岳阳 414000）

3D打印机的原理是将数据和原材料放入3D打印机中，然后机器根据该程序制造产品。光敏树脂选择性光固化是采用立体雕刻（Stereo Lithography Apparatus）原理工艺，并且也是最早，最成熟且使用最广泛的快速成型技术。SLA光固化3D打印技术已进入所有领域，提高了打印精度，简化了复杂零件的制造，节省了产品开发周期，降低了人工成本。目前，国内外制造商正在出现小收缩、快速固化并具有高强度的光敏材料，正是这些因素使SLA光固化3D打印机在我国越来越受欢迎。本文以SLA光固化3D打印成型技术为研究对象，简述在教学过程中的体会。

1 SLA光固化3D打印成型技术

SLA光固化3D打印主要以光敏树脂为原料，其基本理论是以光敏树脂快速固化为基础，光敏树脂在特定波长（250～400nm）的紫外线照射下，会发生聚合反应立并固化，从点到线依次固化，完成层截面绘制，然后层层重叠，完成3D实体打印工作。图1为SLA立体光固化工艺的原理。

图1 SLA 3D光固化成型工艺原理图

2 SLA光固化3D打印成型工艺

2.1 前处理

前处理的主要操作步骤包括CAD模型、数据转换、确定摆放方位、施加支撑和切片分层等。

（1）CAD三维模型。3D实体建模是CAD模型所需的原始数据源的最佳表示，可以使用CAD软件（例如UG，Pro/E）来实现CAD模型的3D建模。图2为扳手的3D建模。

图2 CAD模型图

（2）数据转换。如图3，数据处理实际上使用了许多小三角形近似CAD模型，在这一阶段需要关注的是STL文件生成的精度控制。

图3 STL数据模型

（3）确定摆放方位。为了提高原型制作的质量和一些关键尺寸和形状的精度，最大尺寸的方向必须是层叠方向。由于上述扳手的尺寸较小，选择将其竖立，如图4所示，以确保轴外径和内孔的精度。同时，将大端朝下放置，可以减少支撑量。

图4 模型的摆放方位

（4）施加支撑。对于结构复杂的数据模型，施加支撑直接原型的制作过程质量。目前，先进支撑类型主要为点支撑，图5就是点支撑。

图5 模型施加支撑

（5）切片分层。施加支撑后，沿着高度方向切片生成SLC形式所需的层数据文件，并进行原型制作。

2.2 原型制作

光固化过程是在专用光固化系统上进行的。在制作原型前，需要启动光固化的制作原型系统，使树脂材料温度达到设置的温度。激光打开后，设定的温度保持不变。设备正常工作后，启动原型控制软件，读取前处理的层数据文件。在制造模型前，为了保证支撑和工作台的网板之间稳定连接，调整网板零位和树脂的液位之间的位置。

2.3 后处理

（1）在原型制作完成后，工作台升至液面上方，停留5～10分钟左右，干燥去除多余的树脂。（2）将原型和工作台合并，干燥后浸泡在丙酮或酒精之类的清洁溶液中，然后搅拌约45分钟以除去剩余的气泡，将其放置在水池中以洗涤工作台约5分钟。（3）从工作台上取下原型，拆下支撑结构。洗干净后，放在UV烤箱里固化。

3 光固化3D打印成型的误差

3.1 几何数据处理造成的误差

在开始成型过程之前，必须将3D CAD模型切成薄片并以STL格式分层，以获取该过程所需的横截面轮廓信息集，但是，在数据处理期间会导致误差。

3.2 激光扫描方式对成型精度的影响

扫描方式与成品内部的应力紧密相关，适当扫描方式可抑制成品的收缩，防止翘曲和提高成品的精度。SLA工艺在成型过程中，采用定向平行路径法进行固体填充，即每条填充路径相互平行，并在边界内来回扫描填充，称为Z字形扫描法。这种扫描法避免激光切换，提高成型效率，消除分区收缩应力，从而降低了收缩变形和提高成型的精度。

3.3 光斑直径大小对成型尺寸的影响

在光固化过程中，圆形光斑直径为恒定，固化线宽度相当于光斑直径，未校正光斑扫描路径，在成型品的外周放大一个光斑半径，造成正偏差。为了降低或消除正偏差，通常将实体内的光斑扫描路径缩小一个光斑半径。

4 结语

本文研究了SLA光固化3D打印成型技术，分析了SLA光固化3D打印成型技术的基本原理、成型工艺和精度；在教学过程中需要着重强调紫外线波长为250～400nm这一特定条件，并分析SLA光固化3D打印成型技术的优劣势，以及SLA光固化3D打印成型的前处理、原型制作、后处理的工艺过程。