立體印刷成型  
    這種成型法是目前世界上研究最深人、技術最成熟、應用最廣泛的一種快速成型方法。 1984 年立體印刷成型技術尚處于實驗室研究階段， 1988 年第一臺可操作的制造系統商業化。 1989 年美國人Chryster首先在工程實踐中應用這種技術，但直到 1992 年才引起足夠重視。該技術的開拓者是美國 3D System 公司，它是全世界最大也是第一家 RP 制造商，產品市場占有率約為 30 % ，其生產的 SLA 系列產品獨占鰲頭，并形成壟斷市場。   
    1）工藝原理  
    立體印刷成型（ SLA - Stereolithagraphy Apparatus ) ，又稱立體光刻、光固化等。其基本工藝原理（如圖4所示）是借助 CAD 進行所需要原型的三維幾何造型，產生數據文件并處理成面化的模型。將模型內外表面用小三角平面化離散化，得到目前快速成型制造系統普遍采用的、默認為工業標準的 STL ( Stereolitho - graphy ）文件格式。按等距離或不等距離的處理方法剖切模型，形成從底部到頂部一系列相互平行的水平截面片層，即通過計算機將面化模型剖切成系列橫截面。利用掃描線算法對每個截面片產生包括截面輪廓路徑和內部掃描路徑兩方面的最佳路徑。同時在成型系統上對模型定位，設計支撐結構。  
    切片信息及生成的路徑信息作為控制成型機的命令文件（CLI文件），并編出各個層面的數控指令送人成型機。分層越薄，生成的零件精度越高，采用不等厚度分層的目的在于加快成型速度。  
    激光成型機中的激光束按數控指令掃描，使盛于容器內的液態光敏樹脂逐層固化并粘接在一起。固化過程從工作平臺上的第一層液體開始，當第一層固化后，工作平臺沿Z軸方向下降一段距離（即分層厚度，并考慮材料及工藝因素），使新一層液態樹脂覆蓋在已固化層上面，進行第二層固化。重復此過程至最后一層固化完畢，便生成了三維原型實體。儲液槽中盛裝的液態光敏樹脂在一定波長（如 325nm ）和強度的紫外激光照射下就會在一定區域內固化即形成固化點。成型開始時，工作平臺處在液面下某一確定的深度，如0.05~0.2mm。聚焦后的激光光斑在液面上按計算機的指令逐點掃描即逐點固化。當一層掃描完成后未被激光照射的樹脂仍然是液態的。然后升降架帶動平臺再下降一層高度剛剛成型的層面上面又布滿一層樹脂再進行第二層掃描形成一個新的加工層并與已固化部分牢牢連接在一起。  
    對采用激光偏轉鏡掃描的成型機來說由于激光束被偏轉而料射時焦距和液面光點尺寸是變化的，這直接影響薄層的固化。為了補償焦距和光點尺寸的變化激光束掃描的速度也必須是實時調整的。另外，制作各薄層時掃描速度也必須根據被加工材料層厚度變化（分層厚度變化）而作調整。  

    2）系統組成  
    通常立體印刷成型系統由激光器、X-Y 運動裝置或激光偏轉掃描器、光敏性液態聚合物、聚合物容器、控制軟件和升降工作臺等部分組成。 

光學部分  
    紫外激光器    激光器大多是紫外光式。一種是傳統的如氦鍋（ He-Cd ）激光器輸出功率為15~50mw ，輸出波長為 325nm 。而氫離子（Argon ）激光器的輸出功率為100-500mW， 輸出波長為351~365nm 。這兩種激光器的輸出是連續的，壽命約為2000h 。另一種是固體激光器，輸出功率可達500mW或更高，壽命可達5000h ，且更換激光二極管（Laser Diode ）后可繼續使用，相對氦鍋激光器而言更換激光二極管的費用比更換氣體激光管的費用要少得多。另外共形成的光斑模式好有利于聚焦，但由于固體激光器的輸出是脈沖的為了在高速掃描時不出現斷線現象必須盡量提高脈沖頻率。綜合而看固體激光器是發展趨勢。一般激光束的光斑尺寸為0.05~3.00 mm 激光位置精度可達0.008mm ，重復精度可達0.13mm。  
    激光束掃描裝置   數控的激光束掃描裝置有兩種形式。一種是檢流計驅動式的掃描鏡方式，最高掃描速度可達15m/s，它適合于制造尺寸較小的高精度原型件。另一種是X-Y 繪圖儀方式，激光束在整個掃描過程中與樹脂表面垂直，這種方式能獲得高精度、大尺寸的樣件。 
   
樹脂容器系統   
    a樹脂容器    盛裝液態樹脂的容器由不銹鋼制成，其尺寸大小取決于立體印刷成型系統設計的最大尺寸原型或零件 〔 通常為 20 ~200l〕。液態樹脂是能夠被紫外光感光固化的光敏性聚合物   
    b升降工作臺  帶有許多小孔洞的可升降工作臺在步進電動機的驅動下能沿高度Z方向作往復運動。最小步距可達0.02mm以下，在 225mm 的工作范圍內位置精度為±0.05mm。  
    c重涂層裝置  這一部分主要是使液態光敏樹脂能迅速、均勻地覆蓋在已固化層上面保持每一層片厚度的一致性從而提高原型的制造精度。由于光固化樹脂的表面張力，薄層樹脂的涂敷是一個比較困難的問題表現為大平面涂不滿、涂層不均和產生氣泡。新近推出的成型機采用吸附式涂層（Recoating）機構（如圖3-1所示）  
 

   
   結合智能涂層技術很好地解決了這個問題。吸附式涂層機構正是利用了表面張力在刮板靜止時樹脂在表面張力的作用下，吸附槽中充滿樹脂。當刮板進行涂刮運動時，吸附槽中的樹脂會涂到已固化的樹脂表面，同時樹脂會在槽中運動從未固化部分吸附樹脂并向已固化部分補充。設置適當的速度可使較大的區域得到涂敷。涂層機構中的前刃和后刃可以很好地消除樹脂中產生的氣泡。智能涂層技術根據每一層的面積決定涂層方式，面積較小的僅采用刮涂方式。面積超過設定值時采用浸沒和刮涂相結合。所謂“浸沒”是讓已固化的原型在樹脂槽中下降一定距離讓槽中的樹脂充分漫過固化區域再上升到表面。  

數控系統和控制軟件  
    數控系統和控制軟件主要由數據處理計算機、控制計算機以及 CAD 接口軟件和控制軟件組成。數據處理計算機主要是對 CAD 模型進行面化處理使之變成適合于立休印刷成型的文件格式（ STL 格式）然后對模型定向切片�？刂朴嬎銠C主要用于X-Y掃描系統、 Z 方向工作平臺上下運動和重涂層系統的控制。 CAD 接口軟件的功能包括確定 CAD 數據模型的通信格式、接受 CAD 文件的曲面表示、設定過程參數等�？刂栖浖�用于對激光器光束反射鏡掃描驅動器、 X-Y 掃描系統、升降工作臺和重涂層裝置等的控制。從 CAD 摸型到快速成型制造系統的數據轉換路徑大多采用將摸型轉換為三角形表示的多面體然后再分層的方法應注意 ST 文件的接口軟件與不同的數控系統提供的 STL 接口界面在性能上的差異。  
    光敏聚合物的固化速率與單位面積激光功率供給量直接相關。為使固化均勻，要求控制系統保證恒功率掃描�？刂葡到y的核心部件是激光束掃描器它由兩個檢流計驅動的反射鏡來控制激光束進行X及 Y方向的掃描運動，達到很高的掃描速度 〔 250~2540mm/s〕。由于激光束斜射造成的激光點尺寸變化會極大地影響該點激光功率的分布即影響激光功率的單位供給量，為此需要一個微定位器控制的聚焦透鏡進行變焦。  
    聚焦透鏡的移動控制必須與調節軸的檢流計保持同步，以使激光束焦點保持在樹脂液面上。透鏡對改變掃描線寬或填充大的區域也有重要作用。同時，需要調整掃描速度或激光功率，以補償變焦引起的功率密度變化。反射鏡偏轉角一個，因而掃描器應采用閉環控制。激光束的控制開關必須保證在非加工動作時遮斷光束，此時決門的速度影響著掃描跡線的精度。需要測量激光的功率以確定每層的掃描速度，還需要掌握樹脂的變形特點，以確定補償參數。  

    3）工藝過程  
    立體印刷成型工藝步驟包括模型設計、切片、數據準備、生成模型和后固化等。在實際操作中，無論在哪一步發現問題，都可以終止操作，返回上一步驟重新進行。具體工藝如下: 

    模型設計  
    立體印刷成型工藝第一步是在三維 CAD 造型系統中完成原型的設計。所構造的三維 CAD 圖形既可以是實體模型，也可以是表面模型，這些模型應具有完整的壁厚和內部描述功能。第二步是把 CAD 存儲的文件轉換成立體印刷成型所要求的標準文件（ STL 文件）格式，并以此作為切片計算機的輸入文件。  

   模型切片和數據準備  
    將 STL 格式的文傳送到立體印刷成型系統的數據處理計算機中。首先對STL模型文件進行檢查和修復，并優化選擇制作方向，以便能方便地構造物體。  
    由于成型過程中存在著液體樹脂固化成型時體積收縮而造成內應力，而且對模型中的懸垂部分與底面需要添加制作基礎，這就需要合理的設計支撐，來保持原型在制作過程中的穩定比和精確定位進而保證原型的成功制作。支撐設計方法常用的有兩種，一是基于STL 模型直接設計支撐，輸出支撐 STL 文件與零件 STL 模型合并后一起進行分層處理；另一種是在分層截面輪廓上設計支撐結構。支撐結構的設計需要在計算機上單獨生成。  
    利用分層軟件選擇參數，將模型分層，得到每一薄片層的平面圖形及其有關的網格矢量數據，用于控制激光束的掃描軌跡。這一過程還包括切片層厚度的選擇、建造模式、固化深度、掃描速度、網格間距、線寬補償值和收縮補償因子的選擇，分層參數的選擇對造型時間和模型精度影響很大，常在二者之間經過試驗取得平衡。  
  
    三維實體建造  
    該階段是指光敏樹脂開始聚合、固化到一個原型完成的生成過程。 SLA 成型過程：開始時，可升降工作臺托板的上表面處于液面下一個截面層厚的高度（通常為0.125~0.75mm ) ，該層液態光敏聚合物被激光束掃描而發生聚合固化，并形成所需第一層固態截面輪廓后。 
    工作臺托板下降一層高度，液槽中的液態光敏聚合物流過已固化的截面輪廓層 ，刮刀按照設定的層高作往復運動，刮去多余的聚合物，再對新鋪上的這一層液態聚合物進行掃描固化，形成第二層所需固態截面輪廓，新固化的一層能牢固地粘結在前一層上，如此重復直到整個制件成型完畢。  

    后固化及處理過程  
    當原型在激光成型系統中生成后，控制升降工作臺托板從容器中升起，從工作臺上取出模型并進行清洗，之后進行檢驗及后處理。此時，原型中尚有部分未完全固化的樹脂，必須再用強紫外光照射，使之完全硬化。清洗過程中去除多余的液態樹脂，然后放在后固化裝置的轉盤上進行完全固化，以滿足所要求的機械性能。對于尺寸較大的原型，這是快速固化的有效手段。另外，原型是逐層硬化的，層與層之間不可避免地會出現臺階，必須去除。在造型結束后，原型的支撐也必須除去并進行修整，對要求較高的原型還需進行噴砂處理。  

    4）趨勢現狀  
    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、西安交通大學和中國科學院沈陽自動化所等。  
    其中該技術的開拓者是美國 3D system 公司，其制造系統統稱為 stereolitho-graphy Apparatus，簡稱 SLA 系統，現有多個商品系列，其 SLA 系列產品獨占鰲頭，并形成壟斷市場。該公司對如何提高制件精度及激光誘導光敏樹脂聚合的化學、物理過程進行了深人的研究，并提出了一些有效的制造方法。其設各自 1988 年推出 SLA-250 機型以后，又于 1997 年推出 SLA -250HR 、 SLA-3500 、 SLA-5000 三種機型， 1999 年又推出了SLA-7000 ，隨后又推出了 Vipers SLA系統，在技術上有了長足進步。其中SLA-3500 和 SLA-5000 使用半導體激勵的固體激光器掃描速度分別達到2.54m/s-5m/s ，成型層厚最小可達0.025mm，掃描速度可達9.52m/s ，成型空間可達508mmx508mmx600mm，成型質量更好成型速度更快同時有效地減少后續處理時間。Viper SLA 系統具有標準成型和高梢度成型兩種成型方式標準成型方式可達到質量與成型時間的平衡高梢度成型方式適合于細小零件的制作。這兩種模式的實現來源于一個獨特的數字處理器對激光聚焦掃描系統的控制。該系統特別適合制作垂直薄壁件的制作。該公司還采用了一種稱之為 Zephyer Recoat-ing System的新技術，即在每一成型層上用一種箕舉吸附式刮板在該層上涂一層 0.05~0.1mm的待固化樹脂，使成型時間平均縮短了 20 ％。  
   此外，許多國家的公司、大學也開發了商業制造系統并商用化如日本三菱商社下屬的 C-MET 公司研制的SOUP 系統，日本三井造船公司的 COIAMM 系統，日本帝人精制公司的 SOLIFORM系統杜邦公司開發了基于 SLA 技術的名叫SOMOS 的技術，并向Teijin Seiki公司發放了在亞洲獨家使用其技術的許可證，然后 1995 年杜邦公司又向Aaroflex 公司發放了在北美和其他一些有選擇的國家獨家使用其技術的許可證。其他一些公司Light Sculping公司，Sparx AB公司，L aser 3D 公司都開發井介紹了各自的 RP 系統，但在 RP 行業中都未產生任何大的商業方面的沖擊。  
    國內外研究者在 SLA 技術的成型機理、控制制件變形、提高制件精度等方面進行了大量研究日本帝人精制公司開發的 SOllFORM 可直接制作注射成型模具和真空注塑模具。使用光敏樹脂固化工藝進行微型制造是另一個有意義的發展。日本Kyushu Institute of Technoloy使用5um 光斑的紫外光，定位精度達到1um；用消失模鑄造的方法生產出聚合物與金屬混合的零件，零件大小約為50um。  
    SLA 成型技術的材料主要有四大系列 Ciba公司生產的 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 系列有以下新品種：用于 SLA -350 的CilatoolSL-5510，這種樹脂可以達到較高的成型速度和較好的防潮性能，還有較好的成型精度；CilatoolSL-5210主要用于要求防熱、防濕的環境如水下作業條件。 SOMOS 系列也有新品種SOM0S8120 。該材料的性能類似于聚乙烯和聚丙烯，特別適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 技術使用紫外光源的常規，在日本化藥公司開發新型光敏樹脂的協作下由 Denken Engineering公司和AUTOSTRADE公司率先使用 680nm 左右波長的半導體激光器作為光源，大大降低了SLA 設備的價格。特別是AUTOSTRADE公司的EDARTS機型，采用一種光源從下部隔著一層玻璃往土照射的約束液面型結構，使得該設備價格降到了約人民幣22萬元左右。在提高制品精度方面，DeMontfort大學發展了一種稱之為 Meniscus Smoothing的技術，旨在降低制件表面粗糙度。Clemson大學開發了一種旋轉工件造型平臺可消除分層造型中的臺階問題。  
    國內的西安交通大學推出了LPS、SPS和 CPS 系列 SLA 成型機和相應的光敏樹脂， SPS 的掃描速度最大可達7m/s、LPS的掃描速度可達2m/s ，最大成型空間可達 600mmx600mmx500mm。該產品的涂層系統針對不同材料與結構可調整回流量從而有效地改善涂層質量；采用了矢量掃描路徑優化方法．省去 AOM 降低了成本；采用的YLSF成型工藝，大大減小了翹曲等變形誤差，提高了原型件制作質量。另外 CPS 成型機采用了紫外燈作為成型光源設備價格低運行費用也極低（只有LPS機型的 l / 5 ），是一種經濟型設備。另外西安交通大學在1996年提出了一種高效低成本的光固化快速成型方法。以紫外燈為廉價的光源利用一簇光纖將光引到掃描光條上。光纖在掃描光條上橫向排列，光條運動各條光纖上的光開關根據圖形掃描信息有序開斷，從而在光固化樹脂液面上掃描出一個固化層。掃描條每運動一次就可形成一個層面．從而大大提高了成型效率。  
    日本大阪Sangyo大學的 Yoji Marutani描述了一個新的立體光成型技術。它是將激光光束通過一個管子直接插人到光敏樹脂槽中，管子可在水平方向上自由運動。為了在光固化時防止樹脂流人管子而將工件與管子枯到一起可在管子中充人空氣，控制氣壓在管口部形成氣泡將管子端口與工件分離開，激光通過管子中的透鏡聚焦在工件上進行逐層加工。這種方法可以節省通常的光固化成型的再涂層裝置與工藝節約加工時間，提高加工效率。  
    英國諾丁漢（Nottingham）大學的一個科研小組提出了一種對光固化成型表面修整的方法，可減小制件的表面粗糙度值。在掃描完一層后，托板上升一個層厚在層之間的臺階上還會吸附部分樹脂，由于表面張力的作用，吸附的這部分樹脂把臺階之間的空隙填充了起來再用激光照射使其固化就可以填補臺階，將零件表面光順起夾從而減小制件的表面粗糙度值。  
    總之，目前立體印刷成型工藝穩定，尺寸精度較高，可達0.2 %。 �。ㄗ髡撸喝~蔚）