1.2　技术原理

1.2.1　光固化立体成形技术原理

光固化立体成形（SLA）技术原理是：在树脂槽中盛满有黏性的液态光敏树脂，它在紫外光束的照射下会快速固化。成形过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度。聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描的区域树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体，如图1-1。

SLA的材料是液态的，不存在颗粒，因此可以做得很精细，不过它的材料比SLS的材料贵得多，所以它目前用于打印薄壁的、精度较高的零件。适用于制作中小型工件，能直接得到塑料产品。它能代替蜡模制作浇筑磨具，以及金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模。

SLA技术的优点：①光固化成形是最早出现的快速成形工艺，成熟度最高，经过时间的检验。②成形速度较快，系统工作相对稳定。③打印的尺寸也比较可观，最大可以做到2m的大件，关于后期处理特别是上色都比较容易。④尺寸精度高，可以做到微米级别，比如0.025mm。⑤表面质量较好，比较适合做小件及较精细件。

SLA技术的缺点：①SLA设备造价高昂，使用和维护成本高。②SLA系统是对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。③成形件多为树脂类，材料价格贵，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。④这种成形产品对贮藏环境有很高的要求，温度过高会融化，工作温度不能超过100℃，光敏树脂固化后较脆，易断，可加工性不好。成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。⑤光敏树脂对环境有污染，会使人体皮肤过敏。⑥需设计工件的支撑结构，以便确保在成形过程中制作的每一个结构部位都能可靠地定位，支撑结构需在未完成固化时手动去除，容易破坏成形件。

SLA设备构成见图1-2。

1.2.2　基于数字光处理技术的3D打印成形原理

基于数字光处理（digital light processing，DLP）技术的3D打印技术，也属于“液态树脂光固化成形”这一大类，数字光处理技术和SLA光固化立体成形技术比较相似，不过它使用高分辨率的数字处理器（DLP）投影仪来固化液态聚合物，逐层进行光固化。由于每次成形一个面，因此在理论上也比同类的SLA快得多。该技术成形精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成形的耐用塑料部件。DLP利用投射原理成形，无论工件大小都不会改变成形速度。此外，DLP不需要激光头去固化成形，取而代之是使用极为便宜的灯泡照射。整个系统并没有喷射部分，所以并没有传统成形系统喷头堵塞的问题出现，大大降低了维护成本。DLP技术最早由德州仪器开发，目前很多产品也是基于德州仪器提供的芯片组。基于DLP技术的3D打印机见图1-3。

1.2.3　激光选区熔化成形技术原理与特点

激光选区熔化成形（SLM）技术的工作原理与激光选区烧结（SLS）类似。其主要的不同在于粉末的结合方式不同，不同于SLS通过低熔点金属或黏结剂的熔化把高熔点的金属粉末或非金属粉末黏结在一起的液相烧结方式，SLM技术是将金属粉末完全熔化，因此其要求的激光功率密度要明显高于SLS。

为了保证金属粉末材料的快速熔化，SLM技术需要高功率密度激光器，光斑聚焦到几十微米。SLM技术目前都选用光束模式优良的光纤激光器，激光功率从50W到400W，功率密度达5×106W/cm2以上。图1-4为SLM技术成形过程获得三维金属零件效果图。

激光选区熔化的主要工作原理如图1-5所示。首先，通过专用的软件对零件的CAD三维模型进行切片分层，将模型离散成二维截面图形，并规划扫描路径，得到各截面的激光扫描信息。在扫描前，先通过刮板将送粉升降器中的粉末均匀地平铺到激光加工区，随后计算机将根据之前所得到的激光扫描信息，通过扫描振镜控制激光束选择性地熔化金属粉末，得到与当前二维切片图形一样的实体。然后成形区的升降器下降一个层厚，重复上述过程，逐层堆积成与模型相同的三维实体。

SLM技术的优势具有以下几个方面：

①直接由三维设计模型驱动制成终端金属产品，省掉中间过渡环节，节约了开模制模的时间；

②激光聚焦后具有细小的光斑，容易获得高功率密度，可加工出具有较高的尺寸精度（达0.1mm）及良好的表面粗糙度（Ra30～50μm）的金属零件；

③成形零件具有冶金结合的组织特性，相对密度能达到近乎100%，力学性能可与铸锻件相比；

④SLM适合成形各种复杂形状的工件，如内部有复杂内腔结构、医学领域具有个性化需求的零件，这些零件采用传统方法无法制造出。

1.2.4　3DP技术

（1）基本原理

3DP技术是一种基于喷射技术，从喷嘴喷射出液态微滴或连续的熔融材料束，按一定路径逐层堆积成形的快速原型（RP）技术。三维打印也称粉末材料选择性黏结，和SLS技术类似，3DP技术的原料也呈粉末状，不同是3DP不是将材料熔融，而是通过喷头喷出黏结剂将材料黏合在一起。其工艺原理如图1-6所示。喷头在计算机的控制下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上，有选择性地喷射黏结剂，使部分粉末黏结，形成截面层。一层完成后，工作台下降一个层厚，铺粉，喷黏结剂，再进行后一层的黏结，如此循环形成三维制件。黏结得到的制件要置于加热炉中，做进一步的固化或烧结，以提高黏结强度［11］。

（2）成形流程

3DP技术是一个多学科交叉的系统工程，涉及CAD/CAM技术、数据处理技术、材料技术、激光技术和计算机软件技术等，在快速成形技术中，首先要做的就是数据处理，从三维信息到二维信息的处理，这是非常重要的一个环节。成形件的质量高低与这一环节的方法及其精度有着非常紧密的关系。在数据处理的系统软件中，可以将分层软件看成3D打印机的核心。分层软件是CAD到RP的桥梁，其成形工艺过程包括模型设计、分层切片、数据准备、打印模型及后处理等步骤。在采用3DP设备制件前，必须对CAD模型进行数据处理。由UG、Pro/E等CAD软件生成CAD模型，并输出STL文件，必要时需采用专用软件对STL文件进行检查并修正错误。但此时生成的STL文件还不能直接用于三维打印，必须采用分层软件对其进行分层。层厚大，精度低，但成形时间快；相反，层厚小，精度高，但成形时间慢。分层后得到的只是原型一定高度的外形轮廓，此时还必须对其内部进行填充，最终得到三维打印数据文件。

3DP具体工作过程如下：

①采集粉末原料；

②将粉末铺平到打印区域；

③打印机喷头在模型横截面定位，喷黏结剂；

④送粉活塞上升一层，实体模型下降一层以继续打印；

⑤重复上述过程直至模型打印完毕；

⑥去除多余粉末，固化模型，进行后处理操作。