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光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术

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光聚合成型3D打印技术概论

光聚合成型类3D打印技术是一种利用光敏树脂材料在光照下固化成型的3D打印技术的统称,其主要包括三种技术路线:其一是由美国3D Systems开发并最早实现商业化的光固化成型技术(SLA);其二是由德国envision TEC公司基于数字光处理(DLP)投影仪技术的基础上开发DLP 3D打印技术;其三是由以色列Objet公司(2012年与Stratasys合并)开发的聚合物喷射技术(PolyJet)。

光聚合成型类3D打印技术分类
技术类型光源代表企业
光固化成型(SLA)紫外激光束3D Systems
数字光处理(DLP)数字光Envision TEC
聚合物喷射(PolyJet)光源紫外光(UV)Stratasys

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术

但使用的光源不同,在产品性能、应用范围等方面存在差异。接下来,具体从工作原理、优缺点、典型设备、应用领域以及耗材等几个方便对三种技术进行详细论述。

光固化成型技术(SLA)

光固化成型技术(SLA)由Charles Hull于1983年发明,并在1986年获得申请专利。是最早实现商业化的3D打印技术。SLA又名“立体光固化成型法”或“激光光固化”。1986年,Charles Hull成立3D System公司,大力推动相关业务发展,1988年该公司根据SLA成型技术原理生产出世界上第一台SLA 3D打印机——SLA 250,并将其商业化,经过多年的发展,3D System公司已成为全球最大的3D打印设备提供商。

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
SLA技术发明人以及3D System公司创立者Charles Hull

1、SLA的工作原理

SLA主要利用液态光敏树脂在紫外激光束的照射下快速固化的特性。具体工作原理可以这样来理解:

第一步:在树脂槽中盛满液态光敏树脂,可以升降工作台处于液面下一个截面厚的高度,聚焦后的激光束,在计算机的控制下,按照截面轮廓要求,沿液面进行扫描,被扫描的区域树脂固化,从而得到该截面轮廓的树脂薄片。

第二步:升降工作台下降一个层厚距离,液体树脂再次暴露在光线之下,再次扫描固化,如此重复,直到整个产品成型。

第三步:升降台升出液体树脂表面,取出工件,进行相关后期处理。

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
SLA工作原理示意图(图源:3dimperial.com)

在目前应用较多的几种3D打印技术中,SLA由于具有成型过程自动化程度高、制作原型精度高、表面质量好以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点,使之得到较为广泛的应用。

SLA技术优缺点优点是最早出现的快速原型制造工艺,成熟度高。
由CAD数字模型直接制成原型,加工速度快,产品生产周期短,无需切削工具与模具。
成型精度高(在 0.1mm左右)、表面质量好。
缺点SLA系统造价高昂,使用和维护成本相对过高。
工作环境要求苛刻,耗材为液态树脂,具有气味和毒性,需密闭,同时为防止提前发生聚合反应,需要避光保护。
成型件多为树脂类,强度、刚度、耐热性有限,不利于长时间保存。
软件系统操作复杂,入门困难。
后处理相对繁琐。打印出的工件需用工业酒精和丙酮进行清洗,并进行二次固化。

SLA技术的优缺点

国内研究SLA的机构和公司众多,国内有华中科技大学、珠海西通、智垒等,国外有3D Systems、Formlabs等,其中,3D Systems在技术领域起步较早,所生产的机型也代表了该领域最先进的技术。

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
SLA技术的代表企业:3D Systems

3D Systems是全球领先的3D打印、印刷解决方案提供商,也是3D打印概念的缔造者。1986年,SLA技术发明者Charles W. Hull成立成立3D Systems,并致力于将SLA技术商业化。发展至今,公司业务已涵盖3D打印全产业链,包括上游材料,中游设备以及下游应用服务,三块业务在2014年收入中的占比分别为24.30%、43.35%和32.35%。

3D Systems技术实力强劲,通过自主研发、收购兼并等方式,公司相继成立了立体光固化成型(SLA)选择性激光烧结(SLS)、彩色喷射打印(CJP)、多喷头打印(MJP)等3D打印机的商业化运作。同时,公司的Medical Modeling开创了虚拟手术技术(VSP),其服务达到世界领先水平,帮助了数以千计的患者。

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
3D Systems的历史是一部3D打印全产业链的并购史

3D Systems的历史是一部3D打印全产业链的并购史,公司从成立至今,围绕整个3D打印产业链相继并购了数十家企业,特别是随着近几年3D打印关注度的提升,公司并购的步伐不断加快。2011年,公司相继收购定制化零部件制造商Quickparts和多色喷墨3D打印领域领导者Z Corporation。2013年8月,公司宣布收购英国的CRDM公司,后者专门从事航空航天、赛车运动、医疗设备行业的快速原型和快速模具服务,这一措施帮助公司站稳了英国市场。

同年,公司有相继收购了专门利用3D打印技术制作甜品的The Sugar Lab公司、3D打印陶瓷技术的领先供应商 Figulo公司以及施乐公司旗下位于威尔逊维尔,俄勒冈的产品设计、工程、化学组。2014年,公司并购达到巅峰,相继收购了俄克拉荷马州的姊妹公司American Precision Prototyping和American PrecisionMachining、Medical Modeling公司、美国先进制造产品开发和工程服务商Laser Reproductions、拉美最大的 3D打印服务商Robtec、仿真手术设备巨头Simbionix公司、比利时的直接金属3D打印和制造服务供应商Layer Wise公司以及CAD/CAM软件厂商Cimatron公司。为加强在中国的业务开展,2015年3D Systems收购中国无锡易维及其全资子公司,并创建3D Systems中国。

公司收入增速放缓,净利润转正为负,出现亏损。2014年,公司实现营收6.54亿美元,同比增长27.3%,增速放缓,实现净利润1164万美元,同比降低73.6%。2015年上半年,公司营收同比增速进一步放缓至10.7%,而净利润为-2688万美元,出现亏损。

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
SLA型3D打印设备:ProX 950

ProX 950是3D Systems公司生产的生产级3D打印机,ProX 950的成型尺寸为1500x750x550mm,零件最大重量为150kg,相比之前的3D打印机,ProX 950的速度更快,它摆脱了注塑制造或者CNC的设计限制,采用新的PloyRay技术,其打印速度可以达到其他3D打印机的10倍。制作出全尺寸的仪表盘仅需2天。

ProX 950材料利用率较高,所有未使用的材料均保留在系统内,材料选择广泛,可满足从类丙烯腈丁二烯苯乙烯的韧性到类聚碳酸脂的透明度等一系列零件属性。

SLA具有加工速度快、成型精度高、表面质量好、技术成熟等优点,在设计概念、单件小批量精密铸造、产品模型和模具等方面,被广泛应用于航空航天、汽车、消费品、电器以及医疗等领域。

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
3D打印的海尔空调

就目前来看,光固化成型(SLA)技术未来将向高速化、节能环保、微型化方向发展,随着加工精度的不断提高,SLA将在生物、医药、微电子等方面得到更广泛的应用。

光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
光敏树脂材料打印的物体

基于光固化成型技术(SLA)的3D打印机耗材一般为液态光敏树脂,比如光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯树脂等。光敏树脂是一类在紫外线照射下借助光敏剂的作用能发生聚合并交联固化的树脂,由光敏剂和树脂组成。

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