干货 | SLA 3D打印技术的基本原理:优缺点和局限性

SLA作为3D打印成型的一种方式,因其材料多样化,价格便宜,已被大众所接受,在众多领域得到广泛的应用。今天,我们将介绍SLA 3D打印技术的基本原理,一起来了解SLA打印的优缺点和局限性。

什么是SLA?

立体光刻(SLA)是一种增材制造工艺,属于槽光固化家族。在SLA中,模型是通过使用紫外(UV)激光束选择性地一层一层地固化聚合树脂而成。SLA中使用的材料是液体光敏热固性聚合物。

作为第一项3D打印技术,SLA成名很早,其发明者早在1986年就为这项技术申请了专利。如果模型需要高精度或光滑表面,SLA是最具性价比的3D打印技术。当充分了解制造过程的优缺点和局限性时,就能打印出最佳效果。


干货 | SLA 3D打印技术的基本原理:优缺点和局限性


SLA与数字光处理技术(DLP)有许多共同点,DLP是另一种槽光固化打印技术。简单来说,这两种技术可以视为一种技术。

SLA的工作原理

成型平台固定在液体树脂槽中,距离液体表面一层的高度。

紫外激光通过选择性地固化光聚合树脂,一层层打印。激光束通过一组叫galvos的镜子聚焦在设定的路径上。对模型的整个横截面进行扫描,使打印部分固化。

当一层打印完成后,成型平台移动到一个安全的距离,刮刀给表面覆上新的一层。重复这个过程,直到模型打印完成。

打印完成后,模型处于柔软、未完全固化的状态。如果需要较高的机械性能和热性能,就需要在紫外光下进行进一步的后处理。


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液体树脂通过一种称为光聚合的过程固化:在固化过程中,组成液体树脂的单体碳链被紫外激光作用,变成固体。光聚合的过程是不可逆的,SLA模型无法还原为液态:当加热时,它们会燃烧而不是熔化。这是因为SLA生产的材料是由热固性聚合物制成的,而不是FDM使用的热熔性塑料。

打印机参数

在SLA系统中,大多数打印机参数由制造商固定,不能更改。唯一能自定义的是层高和模型方向(后者决定支撑位置)。

SLA中的层厚度在25到100微米之间。较薄的层厚度可以更精确地捕捉曲线几何图形,但会增加打印时间(和成本)以及打印失败率。100微米的层厚适用于大多数常见软件。

打印尺寸是另一个很重要的参数。打印尺寸取决于SLA机器的类型。有两种主要的SLA机器类型:下沉式和上拉式。

下沉式SLA打印机将激光光源置于料槽上方,模型朝上。成型平台从树脂槽的顶部开始,每层成型后向下移动。


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上拉式SLA打印机将光源置于树脂槽下方,模型向下成型。料槽底部透明,带有硅酮涂层,涂层让激光通过,并让固化树脂不粘贴在槽底。在每一层成型后,固化的树脂被从槽底分离出来,随着成型平台向上移动。这个步骤就是剥离。


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上拉式主要用于桌面级打印机,而下沉式通常用于工业SLA系统。上拉式SLA打印机更容易生产和操作,但是它们的打印尺寸很受限,因为在剥离过程中的拉力可能会导致打印失败。而下沉式打印机可以兼容非常大的打印尺寸,精度也不会有很大的偏差,但价格却很贵。

下表总结了这两种方式的主要特点和区别:

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支撑结构

SLA打印始终需要支撑结构。支撑结构采用与模型相同的材料打印,打印后必须手动拆除。模型方向决定了支撑的位置和数量。合理摆放模型方向,确保美观度重要的展示面不会接触到支撑结构。

上拉式和下沉式SLA打印机使用支撑的方式不同:

下沉式SLA打印中,支撑添加类似于FDM。悬空和跨桥需要精准打印(临界悬空角度通常是30°)。模型可以朝任何方向摆放,但通常是都是平放,以尽量减少支持的数量和总层数。

上拉式SLA打印中,情况就要复杂得多。悬空和跨桥仍然需要支撑,但是最小化每一层的横截面积至关重要:在剥离过程中施加到模型上的力可能会导致它与成型平台分离。这些力与每层的横截面积成正比。因此,模型需面向某一角度,相对而言减不减少支撑,就不是那么重要。

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左, 下沉式SLA打印机模型摆放方向(减少支撑)

右,上拉式SLA打印机模型摆放(减小横截面积)


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卷曲

通过SLA打印的模型,可能会有一个很大的问题就是卷曲。卷曲类似于FDM中的翘边。

在固化过程中,当被打印机的光源照射,树脂会轻微收缩。当收缩幅度较大时,新层与原凝固材料之间会产生较大的内应力,从而导致模型的卷曲。

固化

SLA打印的模型具有等方性的机械性能。这是因为单次紫外激光照射不足以完全固化液体树脂。随后激光再次照射,让之前的固化层凝固到一个非常密集的程度。事实上:

在SLA中,即使打印完成后,固化仍在继续。

为了获得最佳的机械性能,SLA模型必须进行后固化,可以将其置于强光下的固化箱中(有时在高温下)。这大大提高了SLA零件的硬度和耐温性,但也使其更易碎。

例如,用SLA桌面级打印机打印的标准透明树脂模型,在后固化后,抗拉强度几乎增加了2倍(从38MPa到65MPa),耐温性也增加了(从42摄氏度到58摄氏度),但断裂延伸率也几乎降低到之前的一半(12%到6.2%)。

把模型放在阳光下也会加速固化。但长时间暴露在紫外线下会对SLA模型的物理性能和外观产生有害影响:可能会卷曲、变得非常脆弱并变色。因此,建议晾晒前喷涂一层透明紫外丙烯酸涂料。

常用的SLA材料

SLA材料为液体树脂。每升树脂的价格差别很大,便宜的有50美元左右的标准材料,贵的有400美元以上的特殊材料,如浇注料或牙科树脂。工业系统材料选择比桌面及SLA打印机更广泛,这就能更好地控制模型的机械性能。

SLA材料(热固性材料)比FDM或SLS(热塑性塑料)材料更脆弱,因此SLA模型通常不能用来承受较大负载。当然未来材料的进步可能会改变这一点。

下表总结了常用树脂的优缺点:


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后处理

SLA模型可以通过各种后处理方法,如砂光、抛光、喷涂涂层和使用矿物油等,获得非常高的品质。

透明树脂外层后处理后的各种效果。从左至右:去除支撑,水磨,防紫外线喷涂,抛光

SLA的优势和限制

SLA的主要优缺点概括如下:

SLA可以生产尺寸精度非常高、细节复杂的零件。

SLA模型表面光洁度高。

SLA能使用特殊的材料,如透明、柔韧、浇铸树脂等。

SLA部件通常很脆弱,不适合功能性应用。

当SLA模型暴露在阳光下时,其机械性能和外观会随着时间的推移而退化。

始终需要支撑,并且需要后处理来消除支撑留下的印记。

SLA的主要特点总结如下表:


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