SLA 和 SLS 如何改变快速原型制作行业

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发表于：2018 年 7 月 13 日，|作者：WayKen 项目经理 Will

随着技术的发展，3D 打印已经从单纯的概念演变为现实。工业的饱和使得制造商的主要目标不仅是制造产品，而且要使用创新的方法在更短的时间内生产更多的产品以增加产量。因此，这些天来制造商正在使用不同的快速原型制作技术。这些创新方法不仅节省时间，而且具有成本效益。目前正在使用的一种快速原型制作技术是使用 3D 打印（SLA 原型制作和 SLS 原型制作 ）。 3D打印除了节省时间和成本外，还可以通过产品的3D CAD模型制作出功能最佳的原型。

3D 打印的历史

3D 打印的概念可以追溯到 1981 年，当时名古屋市工业研究所利用光硬化热固性聚合物来制造 3D 模型，其中使用掩模图案来控制 UV 曝光区域。但当时由于材料和3D建模软件的限制，它的使用较少。早在 2000 年，中国就已经进口了商用快速成型设备，其中主要应用是工业 3D 打印。 2013 年，当 NASA 的两名员工 Samantha Snabes 和 Matthew Fiedler 推出了第一个经济实惠的 3D 打印机 Gigabot 原型时，它成为工业界的流行词。

3D 打印：快速原型制作的领先趋势

从降低成本到通过创新提高效率，许多人对 3D 打印对制造业未来的影响感到兴奋。但事实上，它已经对行业和国内客户产生了重大影响。

家用3D打印机作为研发产品，用于设计行业的3D模型。但说它只是面向工业客户的产品是错误的。由于其应用广泛，现已在民用客户中广受欢迎。主要是因为随着时间的推移，用于 3D 打印的材料变得越来越便宜和容易获得。此外，与数控铣、车床和精密磨削等传统减材工具室方法相比，3D 打印机占用的空间要小得多。

如今，建模软件的可用性也有助于这项技术的发展。通常，模型以 STL 格式保存，这是一种用于快速原型制作的 CAD 文件格式，它基于 CAD 模型的三角剖分存储数据。但是这种格式用于将文件保存在大量的格结构中会产生错误。但较新的软件以增材制造文件格式 (AMF) 存储文件，从而产生较少的错误。此外，这些软件的用户界面友好，方便国内和工业用户对产品进行3D建模。

最近的一项研究表明，到 2020 年，全球 3D 打印机的出货量将达到 670 万台，是 2016 年的 14 倍。随着新技术提高 3D 打印机的使用，该技术将继续将制造业带到更高的荣耀高度

图 1：2015-2020 年全球 3D 打印机出货量

3D 打印技术

说到3D打印技术，最常用的有两种：SLA Rapid Prototyping &SLS rapid prototyping。

1。 SLA 快速原型设计

SLA 快速成型也称为立体光固化成型技术，是一种 3D 打印技术，用于使用光聚合技术逐层创建不同的原型、模型、图案。光聚合是分子在光的作用下连接形成聚合物的过程。所以基本上树脂（用于创建原型的材料）是使用光和紫外线固化的。通过这种方式，使用SLA快速原型逐层创建所需的原型。

图 2：SLA 快速原型制作流程示意图

紫外线辐射用于在光聚合物桶上构建预编程的形状。由于光聚合物对紫外线辐射敏感，因此，树脂固化并形成所需原型的单层。通过这种方式，树脂层会固化，直到形成所需的原型。

SLA 原型产品在所有 3D 快速原型技术中具有最高分辨率和表面处理能力，但其多功能性在于所使用的树脂。随着技术的发展，材料工程师已经创造出不同的树脂用于 SLA 原型制作，其性能与标准工程热塑性材料相匹配。

用途

SLA快速原型自问世以来就被广泛应用于不同行业的产品开发。

· 医学建模

自该技术推出以来，SLA 快速原型产品已被用于医学领域。它用于根据从计算机扫描获得的数据创建患者身体不同区域的解剖 3D 模型。然后将这些模型用于辅助诊断和治疗。外科医生使用这些模型来协助他们进行手术，而修复师则使用它们来制造定制的植入物。

图 3：通过 SLA 快速原型制作的模型

· 原型设计

SLA 快速原型也用于以相对较低的成本创建均匀/不规则形状材料的原型。采用SLA快速成型法制成的原型可进行机械加工，并可形成各种金属铸造操作的图案。

2。 SLS 快速原型制作

选择性激光烧结通常称为 SLS 快速成型技术，使用激光作为粉末材料的固化剂。主要使用的粉末材料是尼龙。尼龙是一种工程热塑性塑料，具有令人印象深刻的机械性能，重量轻且稳定。这种类型的 3D 打印机会自动将激光对准粉末材料，使其凝固，以创建所需的结构。 SLS 快速成型不同于 SLM 中的选择性激光熔化。材料是熔化的，而不是像 SLS 快速成型那样被烧结。

图 4：SLS 快速原型制作流程示意图

SLS 快速成型与 SLA 快速成型一样，使用计算机辅助设计在烧结粉末的帮助下开发所需的原型。它使用高功率激光，主要是二氧化碳激光，它是粉末形式的小颗粒融合的来源，以形成所需的原型。激光扫描由 cad 模型生成的横截面，并选择性地将烧结材料熔合成所需原型的形状。扫描横截面后，降低粉末床并在顶部应用新的材料层，直到形成所需的产品。

SLS 快速原型制作中使用的尼龙材料使其可用于创建具有高机械强度以及抗冲击、轻质和防水原型的原型。较低的生产成本和较高的生产效率使该技术在快速成型的行业中广受欢迎。

用途

SLS快速成型从一开始就广泛应用于不同行业的产品开发

· 航空航天业

SLS 快速原型制作在需要少量高质量零件的行业中非常流行。一个这样的行业是需要飞机原型的航空航天工业。由于飞机和其他航空航天器的制造数量较少，并且可以使用数十年，因此 SLS 快速原型制造被用于为飞机工业生产高质量的零件。

图 5：空客使用 SLS 快速原型制作的车厢面板

· 复杂几何形状的原型设计

SLS 快速原型制作广泛用于工业中，通过使用其 CAD 模型来生产具有复杂形状的几何形状。这是因为 SLS 快速成型可以生产具有多种材料的原型，使它们在激光的作用下融合。无需支撑结构也使其在生产更高质量零件的行业中广受欢迎。

图 6：SLS 快速原型设计的螺旋桨

SLA 与 SLS 的比较

1。使用的原材料

SLS - 使用的原材料从尼龙粉不同；聚碳酸酯碳粉制氯乙烯；粉末但具有高性能。

SLA -使用的原材料是液态聚合物，其质量无法与热塑性材料相媲美。

2。材料收缩率

SLS - 材料收缩率范围为 2-4%。

SLA-材料收缩率低于0.4%，可以生产更精细的零件。

3。构建大小

SLS - 可生产最大尺寸为 1500 x 750 x 500 mm 的原型。

SLA - 可生产最大尺寸为 145 x 145 x 175 mm 的原型。

4。表面处理

SLS - 材料表面粗糙，有些松散。

SLA-材质的光洁度比较光滑。

5。实力

SLS -由于使用的原材料，生产的零件强度高。

SLA——生产出来的材料强度比较低。

6。加工操作

SLS - 生产的原型易于加工，如铣、车、钻等。

SLA - 原型强度低，加工难度大，需格外小心。

7。耐磨损

SLS - 耐磨性与热塑性材料相似。

SLA - 对环境条件的抵抗力差。使用环氧树脂可以显着提高电阻。

图 7：SLS 快速原型制作的模型

优势：使用 SLA 和 SLS 进行 3D 打印

为了在更短的时间内批量生产产品，3D打印是必不可少的工具。采用这种技术可以带来很多好处。

1。成本效益

成本效益是 3D 打印的主要优势之一。从这个过程中生产的原型的强度和光洁度不需要任何节省资金的修改。而且产品可以量产，也省了很多钱。

2。速度

与使用的传统工业过程相比，该技术使工业家能够以更快的速度生产更多数量的产品，消耗更少的时间。用户只需要一个 CAD 模型，打印机使用该模型并在更短的时间内开发产品。此外，所设计的样机质量高、强度大，使这项技术在世界各地的工业和民用中广受欢迎。

3。减少存储空间

与迄今为止行业使用的传统大规模生产机器相比，3D 打印机占用的空间要小得多。此外，与占用空间更小的紧凑型 3D 打印机相比，这些机器的工具又重又昂贵。

4。降低风险

3D 打印还可以在 CAD 模型中生产昂贵的原型之前验证设计。因此，CAD 模型已相应修正。而且，试模的生产成本也远低于改造已生产的模具。

5。反馈

通过原型，人们可以在实际生产之前测试产品的市场潜力。购买者在实际生产产品之前的反应可以预测产品的未来前景，并有助于决定要批量生产的产品数量以供应市场。

6。个性化

随着大规模生产使用标准加工操作，所有零件都从机器或模具上脱落，具有相同的设计或缺陷（如果有）。但在3D打印的情况下，总是可以根据客户的要求或市场需求进行产品的定制化、个性化。

结束语

SLA 原型设计和 SLS 原型设计都被认为是技术世界的伟大革命之一。功能原型的生产现在不再是一项艰巨的任务，因为它可以根据原型特性的要求通过采用这两种技术轻松生产。 SLA 更适合表面处理，但 SLS 更适合生产高强度产品。两者都是一流的快速成型技术，可用于产品的大批量生产，误差较少。