1.2　技術原理

1.2.1　光固化立體成形技術原理

光固化立體成形（SLA）技術原理是：在樹脂槽中盛滿有黏性的液態光敏樹脂，它在紫外光束的照射下會快速固化。成形過程開始時，可升降的工作臺處于液面下一個截面層厚的高度。聚焦后的激光束，在計算機的控制下，按照截面輪廓的要求，沿液面進行掃描，使被掃描的區域樹脂固化，從而得到該截面輪廓的塑料薄片。然后，工作臺下降一層薄片的高度，再固化另一個層面。這樣層層疊加構成一個三維實體，如圖1-1。

SLA的材料是液態的，不存在顆粒，因此可以做得很精細，不過它的材料比SLS的材料貴得多，所以它目前用于打印薄壁的、精度較高的零件。適用于制作中小型工件，能直接得到塑料產品。它能代替蠟模制作澆筑磨具，以及金屬噴涂模、環氧樹脂模和其他軟模的母模。

SLA技術的優點：①光固化成形是最早出現的快速成形工藝，成熟度最高，經過時間的檢驗。②成形速度較快，系統工作相對穩定。③打印的尺寸也比較可觀，最大可以做到2m的大件，關于后期處理特別是上色都比較容易。④尺寸精度高，可以做到微米級別，比如0.025mm。⑤表面質量較好，比較適合做小件及較精細件。

SLA技術的缺點：①SLA設備造價高昂，使用和維護成本高。②SLA系統是對液體進行操作的精密設備，對工作環境要求苛刻。③成形件多為樹脂類，材料價格貴，強度、剛度、耐熱性有限，不利于長時間保存。④這種成形產品對貯藏環境有很高的要求，溫度過高會融化，工作溫度不能超過100℃，光敏樹脂固化后較脆，易斷，可加工性不好。成形件易吸濕膨脹，抗腐蝕能力不強。⑤光敏樹脂對環境有污染，會使人體皮膚過敏。⑥需設計工件的支撐結構，以便確保在成形過程中制作的每一個結構部位都能可靠地定位，支撐結構需在未完成固化時手動去除，容易破壞成形件。

SLA設備構成見圖1-2。

1.2.2　基于數字光處理技術的3D打印成形原理

基于數字光處理（digital light processing，DLP）技術的3D打印技術，也屬于“液態樹脂光固化成形”這一大類，數字光處理技術和SLA光固化立體成形技術比較相似，不過它使用高分辨率的數字處理器（DLP）投影儀來固化液態聚合物，逐層進行光固化。由于每次成形一個面，因此在理論上也比同類的SLA快得多。該技術成形精度高，在材料屬性、細節和表面光潔度方面可匹敵注塑成形的耐用塑料部件。DLP利用投射原理成形，無論工件大小都不會改變成形速度。此外，DLP不需要激光頭去固化成形，取而代之是使用極為便宜的燈泡照射。整個系統并沒有噴射部分，所以并沒有傳統成形系統噴頭堵塞的問題出現，大大降低了維護成本。DLP技術最早由德州儀器開發，目前很多產品也是基于德州儀器提供的芯片組。基于DLP技術的3D打印機見圖1-3。

1.2.3　激光選區熔化成形技術原理與特點

激光選區熔化成形（SLM）技術的工作原理與激光選區燒結（SLS）類似。其主要的不同在于粉末的結合方式不同，不同于SLS通過低熔點金屬或黏結劑的熔化把高熔點的金屬粉末或非金屬粉末黏結在一起的液相燒結方式，SLM技術是將金屬粉末完全熔化，因此其要求的激光功率密度要明顯高于SLS。

為了保證金屬粉末材料的快速熔化，SLM技術需要高功率密度激光器，光斑聚焦到幾十微米。SLM技術目前都選用光束模式優良的光纖激光器，激光功率從50W到400W，功率密度達5×106W/cm2以上。圖1-4為SLM技術成形過程獲得三維金屬零件效果圖。

激光選區熔化的主要工作原理如圖1-5所示。首先，通過專用的軟件對零件的CAD三維模型進行切片分層，將模型離散成二維截面圖形，并規劃掃描路徑，得到各截面的激光掃描信息。在掃描前，先通過刮板將送粉升降器中的粉末均勻地平鋪到激光加工區，隨后計算機將根據之前所得到的激光掃描信息，通過掃描振鏡控制激光束選擇性地熔化金屬粉末，得到與當前二維切片圖形一樣的實體。然后成形區的升降器下降一個層厚，重復上述過程，逐層堆積成與模型相同的三維實體。

SLM技術的優勢具有以下幾個方面：

①直接由三維設計模型驅動制成終端金屬產品，省掉中間過渡環節，節約了開模制模的時間；

②激光聚焦后具有細小的光斑，容易獲得高功率密度，可加工出具有較高的尺寸精度（達0.1mm）及良好的表面粗糙度（Ra30～50μm）的金屬零件；

③成形零件具有冶金結合的組織特性，相對密度能達到近乎100%，力學性能可與鑄鍛件相比；

④SLM適合成形各種復雜形狀的工件，如內部有復雜內腔結構、醫學領域具有個性化需求的零件，這些零件采用傳統方法無法制造出。

1.2.4　3DP技術

（1）基本原理

3DP技術是一種基于噴射技術，從噴嘴噴射出液態微滴或連續的熔融材料束，按一定路徑逐層堆積成形的快速原型（RP）技術。三維打印也稱粉末材料選擇性黏結，和SLS技術類似，3DP技術的原料也呈粉末狀，不同是3DP不是將材料熔融，而是通過噴頭噴出黏結劑將材料黏合在一起。其工藝原理如圖1-6所示。噴頭在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，在鋪好的一層粉末材料上，有選擇性地噴射黏結劑，使部分粉末黏結，形成截面層。一層完成后，工作臺下降一個層厚，鋪粉，噴黏結劑，再進行后一層的黏結，如此循環形成三維制件。黏結得到的制件要置于加熱爐中，做進一步的固化或燒結，以提高黏結強度［11］。

（2）成形流程

3DP技術是一個多學科交叉的系統工程，涉及CAD/CAM技術、數據處理技術、材料技術、激光技術和計算機軟件技術等，在快速成形技術中，首先要做的就是數據處理，從三維信息到二維信息的處理，這是非常重要的一個環節。成形件的質量高低與這一環節的方法及其精度有著非常緊密的關系。在數據處理的系統軟件中，可以將分層軟件看成3D打印機的核心。分層軟件是CAD到RP的橋梁，其成形工藝過程包括模型設計、分層切片、數據準備、打印模型及后處理等步驟。在采用3DP設備制件前，必須對CAD模型進行數據處理。由UG、Pro/E等CAD軟件生成CAD模型，并輸出STL文件，必要時需采用專用軟件對STL文件進行檢查并修正錯誤。但此時生成的STL文件還不能直接用于三維打印，必須采用分層軟件對其進行分層。層厚大，精度低，但成形時間快；相反，層厚小，精度高，但成形時間慢。分層后得到的只是原型一定高度的外形輪廓，此時還必須對其內部進行填充，最終得到三維打印數據文件。

3DP具體工作過程如下：

①采集粉末原料；

②將粉末鋪平到打印區域；

③打印機噴頭在模型橫截面定位，噴黏結劑；

④送粉活塞上升一層，實體模型下降一層以繼續打印；

⑤重復上述過程直至模型打印完畢；

⑥去除多余粉末，固化模型，進行后處理操作。