陳利 左騰

摘要：本文介紹了SLA立體光固化成型法的加工過(guò)程和特性，給出了其相對(duì)于其它增材制造方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其當(dāng)前在航空航天、汽車、醫(yī)療和模具制造等行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：SLA；立體光固化成型；增材制造

SLA立體光固化成型法，英文全稱叫“Stereo lithography Appearance”，它的原理是用一種限定的波長(zhǎng)與強(qiáng)度的激光聚焦到光固化材料的表面，使之按照一定的順序凝固，完成一個(gè)截面的形狀，然后在垂直方向上移動(dòng)到下一個(gè)層面，再固化下一個(gè)截面，這樣一個(gè)截面一個(gè)截面的往下固化，直到最終完成整改三維實(shí)體模型為止。

在當(dāng)前應(yīng)用較多的幾種3D打印的工藝方法中，光固化成型由于具有高度成型過(guò)程自動(dòng)化、產(chǎn)品模型表面質(zhì)量好、高精度以及能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細(xì)的尺寸成型等特點(diǎn)，使之在當(dāng)前各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用。在概念設(shè)計(jì)的交流、單件小批量精密鑄造、產(chǎn)品模型、快速工模具及直接面向產(chǎn)品的模具等諸多方面廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電器、消費(fèi)品以及醫(yī)療等行業(yè)。

一、當(dāng)前立體光固化成型法的應(yīng)用

（一）SLA在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

在航空航天領(lǐng)域，SLA模型可用于一些必要的可靠性試驗(yàn)與環(huán)境測(cè)試，如：風(fēng)洞試驗(yàn)、零件的可裝配性檢驗(yàn)、人機(jī)工程測(cè)試等。運(yùn)用在航空航天領(lǐng)域的零件與我們?nèi)粘Ｉ钪兴佑|到的零件有很大的不同，對(duì)其重量、結(jié)構(gòu)的可靠性以及精密性要求也嚴(yán)格得多。在采用光固化成型技術(shù)以后，可以通過(guò)SLA模型進(jìn)行前期的裝配，以便檢測(cè)個(gè)零件之間的配合度，是否有干涉、零件裝不上去等現(xiàn)象。通過(guò)此技術(shù)還可以對(duì)一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行加工制造討論評(píng)估，制定最佳的加工工藝流程，對(duì)前期復(fù)雜零件小批量生產(chǎn)開(kāi)發(fā)、反復(fù)測(cè)試、修改來(lái)說(shuō)，可以提高效率、節(jié)約零件的開(kāi)發(fā)成本。

航空航天領(lǐng)域中發(fā)動(dòng)機(jī)上許多零件都是經(jīng)過(guò)精密鑄造來(lái)制造的，對(duì)于高精度的木模制作，傳統(tǒng)工藝成本極高且制作時(shí)間也很長(zhǎng)。采用SLA 工藝，可以直接由CAD 數(shù)字模型制作熔模鑄造的母模，時(shí)間和成本可以得到顯著的降低。數(shù)小時(shí)之內(nèi)，就可以由CAD 數(shù)字模型得到成本較低、結(jié)構(gòu)又十分復(fù)雜的用于熔模鑄造的SLA 快速原型母模。

（二）SLA在其他制造領(lǐng)域的應(yīng)用

光固化成型技術(shù)不只在航空航天領(lǐng)域起到了非常重要的作用，在其他的一些傳統(tǒng)的制造加工領(lǐng)域也有著非常廣泛的應(yīng)用，如在船舶、汽車、模具制造等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。下面就光固化快速成型技術(shù)在汽車領(lǐng)域和制造加工領(lǐng)域做一些簡(jiǎn)單的介紹。

在汽車領(lǐng)域，現(xiàn)代汽車生產(chǎn)的特點(diǎn)是產(chǎn)品生產(chǎn)周期短，型號(hào)多，為了適應(yīng)不同的客戶群體，一款汽車在生產(chǎn)定型后，還需要根據(jù)市場(chǎng)的需求不斷的改進(jìn)調(diào)整，但是不可能每一次的改進(jìn)調(diào)整都直接投入生產(chǎn)，這樣帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)是很大的，而且成本也高。雖然現(xiàn)在很多內(nèi)容都可以在計(jì)算機(jī)上用電腦進(jìn)行仿真分析，但是在實(shí)際研發(fā)的過(guò)程中仍然需要做出實(shí)物模型，可以直觀的驗(yàn)證實(shí)物與模型之間的差距以及人機(jī)工程的合理性，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)艙，可以采用光固化成型技術(shù)制作零件原型，用來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

發(fā)動(dòng)機(jī)一直都是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，而且對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)倉(cāng)的檢測(cè)一直都比較復(fù)雜。采用光固化成型技術(shù)可以有效的檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的液體的流動(dòng)走向，確保發(fā)動(dòng)機(jī)艙的冷卻液能到全程循環(huán)流通。利用光固化成型技術(shù)可以很容易的制造出透明的發(fā)動(dòng)機(jī)模型，然后在模型艙內(nèi)注入某種循環(huán)液體，液體中加入一些細(xì)小顆?；驓馀?，就能很直觀的看到流道內(nèi)液體的走向。該檢測(cè)技術(shù)最關(guān)鍵的問(wèn)題是透明模型的制造，如果采用傳統(tǒng)的方法來(lái)制造，花費(fèi)大且不精確，而用SLA技術(shù)結(jié)合CAD 造型僅僅需要4～5 周的時(shí)間，且花費(fèi)只為之前的1/3，制作出的透明模型能完全符合機(jī)體水箱和氣缸蓋的CAD 數(shù)據(jù)要求，模型的表面質(zhì)量也能滿足要求。

二、光固化成型技術(shù)的研究進(jìn)展

光固化成型技術(shù)自問(wèn)世以來(lái)，在制造領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大的影響，目前已經(jīng)成為工業(yè)制造領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。該技術(shù)制作精度能夠達(dá)到大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品的要求，而且性能可靠，成本較低，因此該技術(shù)一直成為國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前，有部分研究者通過(guò)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)性參數(shù)、成型方式以及材料等方面的因素進(jìn)行分析，提出了一系列的改進(jìn)，這些仿佛有效的提高了光固化原型的制造精度，有效的減小了零件的變形，降低了殘余應(yīng)力。到今天為止，光固化快速成型技術(shù)已經(jīng)發(fā)展比較成熟。各類新的成型工藝不斷出現(xiàn)并應(yīng)用，推進(jìn)了這一技術(shù)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。下面工微光固化快速成型技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)兩方面對(duì)SLA技術(shù)的應(yīng)用做一個(gè)基本的介紹。

（一）微光固化快速成型制造技術(shù)

目前，傳統(tǒng)的SLA設(shè)備成型精度可達(dá)到±0.1mm，對(duì)于一般的工業(yè)產(chǎn)品可以很好的滿足要求，到時(shí)在生物工程和微電子領(lǐng)域是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這種領(lǐng)域要求制造的結(jié)構(gòu)都是以納米級(jí)的為單位。很明顯傳統(tǒng)的SLA工藝技術(shù)基本上無(wú)法滿足這一要求。然而，在最進(jìn)幾年里，微生物和微電子領(lǐng)域發(fā)展迅速，使得這些微機(jī)械結(jié)構(gòu)有了巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用市場(chǎng)。因此，在20世紀(jì)80年代，提出了微光固化快速成型μ-SL（Micro Stereolithography），此技術(shù)是在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)上，針對(duì)微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造提出的一種新型快速成型方法，經(jīng)過(guò)30多年的努力研究，這一技術(shù)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，并在某些領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。

（二）生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光固化快速成型技術(shù)可以為一些通過(guò)常規(guī)方法無(wú)法制造的復(fù)雜的人體器官制造模型?；贑T圖像的光固化成型技術(shù)是應(yīng)用于假體制作、復(fù)雜外科手術(shù)的規(guī)劃、口腔頜面修復(fù)的有效方法。目前在生命科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域出現(xiàn)的一門新的交叉學(xué)科—組織工程是光固化成型技術(shù)非常有前景的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。基于SLA技術(shù)可以制作具有生物活性的人工骨支架，該支架具有很好的機(jī)械性能和與細(xì)胞的生物相容性，且有利于成骨細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)。

三、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前3D打印等增材制造工藝作為未來(lái)工業(yè)加工、生產(chǎn)的趨勢(shì)，SLA立體光固化成型法作為其中一種較為成熟的工藝已經(jīng)在當(dāng)前的各工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，具有成熟度高、加工速度快、產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)前仍有很多限制和不足。未來(lái)立體光固化成型技術(shù)將向高精細(xì)化、多種可加工材料及微光固化成型發(fā)展，并將在工業(yè)制造和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著更為廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

[1]崔庚彥，宋艷芳.光固化成型技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2014（09）：35-36.

[2]黃曉明，張伯霖.光固化立體成型技術(shù)及其最新發(fā)展[J].機(jī)電工程技術(shù)，2001（05）：21-24.