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解析光固化3D打印的奥秘

关键词:

光固化3D打印

时间:2016-09-19来源:站长-速德瑞 点击:1090次

摘要:

1光固化(SLA)打印技术

  【PConline 杂谈】快速成型技术也就是我们通常所说的3D打印,究其原理就是叠层制造,依靠3D打印机在XZY三个坐标上的位移,最终形成一个三维实物。与此同时,还有FDM、SLS、SLM、SLA等累积技术之分。而今天,我们便从最早出现并实现商用化的光固化(SLA)技术说起,一同了解光固化3D打印技术的奥秘。


深度解析3D Systems光固化3D打印的奥秘

  正如有些材料遇热硬化,而有些遇冷硬化一样,光固化所采用的“光敏树脂”,是由聚合物单体与预聚体组成,加有光引发剂 (光敏剂),一般为液态。光敏树脂经过一定波长的UV光照射后,引起聚合反应最终固化。


光敏树脂聚合反应

  SLA技术之所以不像FDM技术那样广为人知,或是因为它所采用的材料比较特殊,毕竟液体不易处理更不方便携带。而将“光固化”原理运用到3D打印并成功将其商业化的代表人物,则是在80年代创建3D Systems公司的Chuck Hull先生,而3D Systems公司也发展成当今3D打印领域的龙头企业之一,公司早期制定的“stl”文件格式,仍被沿用至今。


3D Systems创始人Chuck Hull

  基于SLA技术的3D打印机,通过能量光源,结合光敏树脂受光硬化的特性,从而打印出物体的剖面层,并将每一个剖面层堆积黏合在一起,组成最终的设计成品。看似简单,3D Systems公司却花费了大量时间用以研究。


滴漏模型演示

  正如上图所示,绿色代表光敏树脂,在‘V’形漏斗底端滴一滴形成薄膜‘5’,将薄膜‘5’往上吹,借助表面张力作用,薄膜‘5’不仅不会破还变得厚度均匀,直达“V”形开口顶端;图中黄色则代表了清洗溶剂,在薄膜‘5’往上移动的过程中,清洗设备内部的光敏树脂,为下一阶段的‘剖面制作’做准备;薄膜‘5’受到‘103’能量光源的照射,完成工件‘41’另一层剖面;黄色清洗溶剂再次出现,将工件表面的非剖面部分的光敏树脂清洗干净,准备下一循环的剖面制作。

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23D Systems研究成果

  其实,这更像是吹肥皂泡泡,你会发现肥皂溶液迅速并规则的向外扩张,形成薄而均匀的肥皂溶层,只不过现在是将肥皂溶液换成光敏树脂,便是3D打印想要的均匀而薄的工作层。但整个3D打印过程非常耗时,3D Systems便将制程分割多份同时进行以节省时间,但碍于整体结构复杂,维护难度高,以致这个理想至今仍未出现在3D Systems生产的产品清单中。


分割作业演示

  相较于上个设计理念,3D Systems的这个研发思路则要实际很多。3D Systems在打印设备上添加了‘刮刀’(下图26),其作用在于将剖面上的光敏树脂涂层弄得平整均匀,以增加生产速度。具体方法则是每当新的剖面上叠加光敏树脂后,在使用能量光源前先用刮刀将剖面刮平一次,就像是在面包上均匀涂抹奶油。如今,这把‘刮刀’已成为3D Systems产品是选配备件,用户可按实际需求选择用或不用。


‘刮刀’原理演示

  下面,我们再来看看3D Systems公司近期的研究成果,成品不再浸泡在光敏树脂里,而是改用将一层层的光敏树脂送至成品上。如图1所示,光敏树脂(绿色)经过供料头‘49’被涂至输送带‘11’上形成一个薄膜,薄膜随着输送带送到工件所在的位置。


图一


图二

  图2中,‘37’、‘38’两处负责将光敏树脂涂到输送带上,由输送带将其运送至产品‘28’之下,开始制作另一层的剖面。


图三

  图3中,则显示了能量光源的位置所在。相较于吹肥皂泡原理,这种方法要简化很多,3D Systems称其为“Solid Imaging”技术。在3D Systems的目录中,一种称之为“Film Transfer Imaging”(FTI)的产品,便借用了“Solid Imaging”概念。

  实际上,3D打印的最大弊端在于其打印速度实在太慢,这很难令其与传统工业生产相抗衡。当然,技术上的推陈出新是一方面,关键还在于打印材料。因此,3D Systems光固化技术的专利申请,约10%都与材料有关。对于SLA技术而言,用户除了关注打印设备外,更在意材料是否结合紧密、不易变型、耐高温等等,由此可见,选择性能优良的材料在3D打印过程中非常重要。

关键词:

光固化3D打印