立体印刷成型  
    这种成型法是目前世界上研究最深人、技术最成熟、应用最广泛的一种快速成型方法。 1984 年立体印刷成型技术尚处于实验室研究阶段， 1988 年第一台可操作的制造系统商业化。 1989 年美国人Chryster首先在工程实践中应用这种技术，但直到 1992 年才引起足够重视。该技术的开拓者是美国 3D System 公司，它是全世界最大也是第一家 RP 制造商，产品市场占有率约为 30 % ，其生产的 SLA 系列产品独占鳌头，并形成垄断市场。   
    1）工艺原理  
    立体印刷成型（ SLA - Stereolithagraphy Apparatus ) ，又称立体光刻、光固化等。其基本工艺原理（如图4所示）是借助 CAD 进行所需要原型的三维几何造型，产生数据文件并处理成面化的模型。将模型内外表面用小三角平面化离散化，得到目前快速成型制造系统普遍采用的、默认为工业标准的 STL ( Stereolitho - graphy ）文件格式。按等距离或不等距离的处理方法剖切模型，形成从底部到顶部一系列相互平行的水平截面片层，即通过计算机将面化模型剖切成系列横截面。利用扫描线算法对每个截面片产生包括截面轮廓路径和内部扫描路径两方面的最佳路径。同时在成型系统上对模型定位，设计支撑结构。  
    切片信息及生成的路径信息作为控制成型机的命令文件（CLI文件），并编出各个层面的数控指令送人成型机。分层越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分层的目的在于加快成型速度。  
    激光成型机中的激光束按数控指令扫描，使盛于容器内的液态光敏树脂逐层固化并粘接在一起。固化过程从工作平台上的第一层液体开始，当第一层固化后，工作平台沿Z轴方向下降一段距离（即分层厚度，并考虑材料及工艺因素），使新一层液态树脂覆盖在已固化层上面，进行第二层固化。重复此过程至最后一层固化完毕，便生成了三维原型实体。储液槽中盛装的液态光敏树脂在一定波长（如 325nm ）和强度的紫外激光照射下就会在一定区域内固化即形成固化点。成型开始时，工作平台处在液面下某一确定的深度，如0.05~0.2mm。聚焦后的激光光斑在液面上按计算机的指令逐点扫描即逐点固化。当一层扫描完成后未被激光照射的树脂仍然是液态的。然后升降架带动平台再下降一层高度刚刚成型的层面上面又布满一层树脂再进行第二层扫描形成一个新的加工层并与已固化部分牢牢连接在一起。  
    对采用激光偏转镜扫描的成型机来说由于激光束被偏转而料射时焦距和液面光点尺寸是变化的，这直接影响薄层的固化。为了补偿焦距和光点尺寸的变化激光束扫描的速度也必须是实时调整的。另外，制作各薄层时扫描速度也必须根据被加工材料层厚度变化（分层厚度变化）而作调整。  

    2）系统组成  
    通常立体印刷成型系统由激光器、X-Y 运动装置或激光偏转扫描器、光敏性液态聚合物、聚合物容器、控制软件和升降工作台等部分组成。 

光学部分  
    紫外激光器    激光器大多是紫外光式。一种是传统的如氦锅（ He-Cd ）激光器输出功率为15~50mw ，输出波长为 325nm 。而氢离子（Argon ）激光器的输出功率为100-500mW， 输出波长为351~365nm 。这两种激光器的输出是连续的，寿命约为2000h 。另一种是固体激光器，输出功率可达500mW或更高，寿命可达5000h ，且更换激光二极管（Laser Diode ）后可继续使用，相对氦锅激光器而言更换激光二极管的费用比更换气体激光管的费用要少得多。另外共形成的光斑模式好有利于聚焦，但由于固体激光器的输出是脉冲的为了在高速扫描时不出现断线现象必须尽量提高脉冲频率。综合而看固体激光器是发展趋势。一般激光束的光斑尺寸为0.05~3.00 mm 激光位置精度可达0.008mm ，重复精度可达0.13mm。  
    激光束扫描装置   数控的激光束扫描装置有两种形式。一种是检流计驱动式的扫描镜方式，最高扫描速度可达15m/s，它适合于制造尺寸较小的高精度原型件。另一种是X-Y 绘图仪方式，激光束在整个扫描过程中与树脂表面垂直，这种方式能获得高精度、大尺寸的样件。 
   
树脂容器系统   
    a树脂容器    盛装液态树脂的容器由不锈钢制成，其尺寸大小取决于立体印刷成型系统设计的最大尺寸原型或零件 〔 通常为 20 ~200l〕。液态树脂是能够被紫外光感光固化的光敏性聚合物   
    b升降工作台  带有许多小孔洞的可升降工作台在步进电动机的驱动下能沿高度Z方向作往复运动。最小步距可达0.02mm以下，在 225mm 的工作范围内位置精度为±0.05mm。  
    c重涂层装置  这一部分主要是使液态光敏树脂能迅速、均匀地覆盖在已固化层上面保持每一层片厚度的一致性从而提高原型的制造精度。由于光固化树脂的表面张力，薄层树脂的涂敷是一个比较困难的问题表现为大平面涂不满、涂层不均和产生气泡。新近推出的成型机采用吸附式涂层（Recoating）机构（如图3-1所示）  
 

   
   结合智能涂层技术很好地解决了这个问题。吸附式涂层机构正是利用了表面张力在刮板静止时树脂在表面张力的作用下，吸附槽中充满树脂。当刮板进行涂刮运动时，吸附槽中的树脂会涂到已固化的树脂表面，同时树脂会在槽中运动从未固化部分吸附树脂并向已固化部分补充。设置适当的速度可使较大的区域得到涂敷。涂层机构中的前刃和后刃可以很好地消除树脂中产生的气泡。智能涂层技术根据每一层的面积决定涂层方式，面积较小的仅采用刮涂方式。面积超过设定值时采用浸没和刮涂相结合。所谓“浸没”是让已固化的原型在树脂槽中下降一定距离让槽中的树脂充分漫过固化区域再上升到表面。  

数控系统和控制软件  
    数控系统和控制软件主要由数据处理计算机、控制计算机以及 CAD 接口软件和控制软件组成。数据处理计算机主要是对 CAD 模型进行面化处理使之变成适合于立休印刷成型的文件格式（ STL 格式）然后对模型定向切片。控制计算机主要用于X-Y扫描系统、 Z 方向工作平台上下运动和重涂层系统的控制。 CAD 接口软件的功能包括确定 CAD 数据模型的通信格式、接受 CAD 文件的曲面表示、设定过程参数等。控制软件用于对激光器光束反射镜扫描驱动器、 X-Y 扫描系统、升降工作台和重涂层装置等的控制。从 CAD 摸型到快速成型制造系统的数据转换路径大多采用将摸型转换为三角形表示的多面体然后再分层的方法应注意 ST 文件的接口软件与不同的数控系统提供的 STL 接口界面在性能上的差异。  
    光敏聚合物的固化速率与单位面积激光功率供给量直接相关。为使固化均匀，要求控制系统保证恒功率扫描。控制系统的核心部件是激光束扫描器它由两个检流计驱动的反射镜来控制激光束进行X及 Y方向的扫描运动，达到很高的扫描速度 〔 250~2540mm/s〕。由于激光束斜射造成的激光点尺寸变化会极大地影响该点激光功率的分布即影响激光功率的单位供给量，为此需要一个微定位器控制的聚焦透镜进行变焦。  
    聚焦透镜的移动控制必须与调节轴的检流计保持同步，以使激光束焦点保持在树脂液面上。透镜对改变扫描线宽或填充大的区域也有重要作用。同时，需要调整扫描速度或激光功率，以补偿变焦引起的功率密度变化。反射镜偏转角一个，因而扫描器应采用闭环控制。激光束的控制开关必须保证在非加工动作时遮断光束，此时决门的速度影响着扫描迹线的精度。需要测量激光的功率以确定每层的扫描速度，还需要掌握树脂的变形特点，以确定补偿参数。  

    3）工艺过程  
    立体印刷成型工艺步骤包括模型设计、切片、数据准备、生成模型和后固化等。在实际操作中，无论在哪一步发现问题，都可以终止操作，返回上一步骤重新进行。具体工艺如下: 

    模型设计  
    立体印刷成型工艺第一步是在三维 CAD 造型系统中完成原型的设计。所构造的三维 CAD 图形既可以是实体模型，也可以是表面模型，这些模型应具有完整的壁厚和内部描述功能。第二步是把 CAD 存储的文件转换成立体印刷成型所要求的标准文件（ STL 文件）格式，并以此作为切片计算机的输入文件。  

   模型切片和数据准备  
    将 STL 格式的文传送到立体印刷成型系统的数据处理计算机中。首先对STL模型文件进行检查和修复，并优化选择制作方向，以便能方便地构造物体。  
    由于成型过程中存在着液体树脂固化成型时体积收缩而造成内应力，而且对模型中的悬垂部分与底面需要添加制作基础，这就需要合理的设计支撑，来保持原型在制作过程中的稳定比和精确定位进而保证原型的成功制作。支撑设计方法常用的有两种，一是基于STL 模型直接设计支撑，输出支撑 STL 文件与零件 STL 模型合并后一起进行分层处理；另一种是在分层截面轮廓上设计支撑结构。支撑结构的设计需要在计算机上单独生成。  
    利用分层软件选择参数，将模型分层，得到每一薄片层的平面图形及其有关的网格矢量数据，用于控制激光束的扫描轨迹。这一过程还包括切片层厚度的选择、建造模式、固化深度、扫描速度、网格间距、线宽补偿值和收缩补偿因子的选择，分层参数的选择对造型时间和模型精度影响很大，常在二者之间经过试验取得平衡。  
  
    三维实体建造  
    该阶段是指光敏树脂开始聚合、固化到一个原型完成的生成过程。 SLA 成型过程：开始时，可升降工作台托板的上表面处于液面下一个截面层厚的高度（通常为0.125~0.75mm ) ，该层液态光敏聚合物被激光束扫描而发生聚合固化，并形成所需第一层固态截面轮廓后。 
    工作台托板下降一层高度，液槽中的液态光敏聚合物流过已固化的截面轮廓层 ，刮刀按照设定的层高作往复运动，刮去多余的聚合物，再对新铺上的这一层液态聚合物进行扫描固化，形成第二层所需固态截面轮廓，新固化的一层能牢固地粘结在前一层上，如此重复直到整个制件成型完毕。  

    后固化及处理过程  
    当原型在激光成型系统中生成后，控制升降工作台托板从容器中升起，从工作台上取出模型并进行清洗，之后进行检验及后处理。此时，原型中尚有部分未完全固化的树脂，必须再用强紫外光照射，使之完全硬化。清洗过程中去除多余的液态树脂，然后放在后固化装置的转盘上进行完全固化，以满足所要求的机械性能。对于尺寸较大的原型，这是快速固化的有效手段。另外，原型是逐层硬化的，层与层之间不可避免地会出现台阶，必须去除。在造型结束后，原型的支撑也必须除去并进行修整，对要求较高的原型还需进行喷砂处理。  

    4）趋势现状  
    目前研究 SLA 方法的有 3D system 公司、 EOS 公司、 F & S 公司、 C-MET 公司、D- MEC 公司、Teijin Seiki 公司、 Mitsni Zosen 公司、西安交通大学和中国科学院沈阳自动化所等。  
    其中该技术的开拓者是美国 3D system 公司，其制造系统统称为 stereolitho-graphy Apparatus，简称 SLA 系统，现有多个商品系列，其 SLA 系列产品独占鳌头，并形成垄断市场。该公司对如何提高制件精度及激光诱导光敏树脂聚合的化学、物理过程进行了深人的研究，并提出了一些有效的制造方法。其设各自 1988 年推出 SLA-250 机型以后，又于 1997 年推出 SLA -250HR 、 SLA-3500 、 SLA-5000 三种机型， 1999 年又推出了SLA-7000 ，随后又推出了 Vipers SLA系统，在技术上有了长足进步。其中SLA-3500 和 SLA-5000 使用半导体激励的固体激光器扫描速度分别达到2.54m/s-5m/s ，成型层厚最小可达0.025mm，扫描速度可达9.52m/s ，成型空间可达508mmx508mmx600mm，成型质量更好成型速度更快同时有效地减少后续处理时间。Viper SLA 系统具有标准成型和高梢度成型两种成型方式标准成型方式可达到质量与成型时间的平衡高梢度成型方式适合于细小零件的制作。这两种模式的实现来源于一个独特的数字处理器对激光聚焦扫描系统的控制。该系统特别适合制作垂直薄壁件的制作。该公司还采用了一种称之为 Zephyer Recoat-ing System的新技术，即在每一成型层上用一种箕举吸附式刮板在该层上涂一层 0.05~0.1mm的待固化树脂，使成型时间平均缩短了 20 ％。  
   此外，许多国家的公司、大学也开发了商业制造系统并商用化如日本三菱商社下属的 C-MET 公司研制的SOUP 系统，日本三井造船公司的 COIAMM 系统，日本帝人精制公司的 SOLIFORM系统杜邦公司开发了基于 SLA 技术的名叫SOMOS 的技术，并向Teijin Seiki公司发放了在亚洲独家使用其技术的许可证，然后 1995 年杜邦公司又向Aaroflex 公司发放了在北美和其他一些有选择的国家独家使用其技术的许可证。其他一些公司Light Sculping公司，Sparx AB公司，L aser 3D 公司都开发井介绍了各自的 RP 系统，但在 RP 行业中都未产生任何大的商业方面的冲击。  
    国内外研究者在 SLA 技术的成型机理、控制制件变形、提高制件精度等方面进行了大量研究日本帝人精制公司开发的 SOllFORM 可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。使用光敏树脂固化工艺进行微型制造是另一个有意义的发展。日本Kyushu Institute of Technoloy使用5um 光斑的紫外光，定位精度达到1um；用消失模铸造的方法生产出聚合物与金属混合的零件，零件大小约为50um。  
    SLA 成型技术的材料主要有四大系列 Ciba公司生产的 CibatoolSL系列、杜邦公司的SOMOS系列、 Zeneca公司的Stereocol系列和瑞典 RPC公司的 RPCure 系列。 CilatoolSL 系列有以下新品种：用于 SLA -350 的CilatoolSL-5510，这种树脂可以达到较高的成型速度和较好的防潮性能，还有较好的成型精度；CilatoolSL-5210主要用于要求防热、防湿的环境如水下作业条件。 SOMOS 系列也有新品种SOM0S8120 。该材料的性能类似于聚乙烯和聚丙烯，特别适合于制作功能零件也有很好的防潮防水性能  
    日本方面打破了 SLA 技术使用紫外光源的常规，在日本化药公司开发新型光敏树脂的协作下由 Denken Engineering公司和AUTOSTRADE公司率先使用 680nm 左右波长的半导体激光器作为光源，大大降低了SLA 设备的价格。特别是AUTOSTRADE公司的EDARTS机型，采用一种光源从下部隔着一层玻璃往土照射的约束液面型结构，使得该设备价格降到了约人民币22万元左右。在提高制品精度方面，DeMontfort大学发展了一种称之为 Meniscus Smoothing的技术，旨在降低制件表面粗糙度。Clemson大学开发了一种旋转工件造型平台可消除分层造型中的台阶问题。  
    国内的西安交通大学推出了LPS、SPS和 CPS 系列 SLA 成型机和相应的光敏树脂， SPS 的扫描速度最大可达7m/s、LPS的扫描速度可达2m/s ，最大成型空间可达 600mmx600mmx500mm。该产品的涂层系统针对不同材料与结构可调整回流量从而有效地改善涂层质量；采用了矢量扫描路径优化方法．省去 AOM 降低了成本；采用的YLSF成型工艺，大大减小了翘曲等变形误差，提高了原型件制作质量。另外 CPS 成型机采用了紫外灯作为成型光源设备价格低运行费用也极低（只有LPS机型的 l / 5 ），是一种经济型设备。另外西安交通大学在1996年提出了一种高效低成本的光固化快速成型方法。以紫外灯为廉价的光源利用一簇光纤将光引到扫描光条上。光纤在扫描光条上横向排列，光条运动各条光纤上的光开关根据图形扫描信息有序开断，从而在光固化树脂液面上扫描出一个固化层。扫描条每运动一次就可形成一个层面．从而大大提高了成型效率。  
    日本大阪Sangyo大学的 Yoji Marutani描述了一个新的立体光成型技术。它是将激光光束通过一个管子直接插人到光敏树脂槽中，管子可在水平方向上自由运动。为了在光固化时防止树脂流人管子而将工件与管子枯到一起可在管子中充人空气，控制气压在管口部形成气泡将管子端口与工件分离开，激光通过管子中的透镜聚焦在工件上进行逐层加工。这种方法可以节省通常的光固化成型的再涂层装置与工艺节约加工时间，提高加工效率。  
    英国诺丁汉（Nottingham）大学的一个科研小组提出了一种对光固化成型表面修整的方法，可减小制件的表面粗糙度值。在扫描完一层后，托板上升一个层厚在层之间的台阶上还会吸附部分树脂，由于表面张力的作用，吸附的这部分树脂把台阶之间的空隙填充了起来再用激光照射使其固化就可以填补台阶，将零件表面光顺起夹从而减小制件的表面粗糙度值。  
    总之，目前立体印刷成型工艺稳定，尺寸精度较高，可达0.2 %。 　（作者：叶蔚）