SLA 与 SLS 如何革新快速原型制造

发布时间：2018 年 7 月 13 日 | 作者：Will，WayKen 项目经理

随着技术发展，3D 打印从单纯概念演变为现实。行业饱和使制造商核心目标不再仅是生产产品，还要用创新方法在更短时间内生产更多产品以提高产量。因此制造商采用不同快速原型技术。这些创新方法不仅节省时间、具成本效益。其中一种是 3D 打印（SLA 原型 & SLS 原型）。3D 打印除节省时间成本外，还能从产品 3D CAD 模型生成最佳功能原型。

3D 打印历史

3D 打印概念最早可追溯至 1981 年，名古屋市立工业研究院利用光固化热固性聚合物，通过掩膜图案控制紫外曝光区域制造三维模型。但当时因材料和 3D 建模软件限制，应用较少。2000 年初，中国已引进商业快速原型设备，主攻工业 3D 打印。2013 年两位 NASA 员工 Samantha Snabes 和 Matthew Fiedler 推出首款平价 3D 打印机原型 Gigabot，3D 打印成为工业界热词。

3D 打印：快速原型领域的领军趋势

从降本到创新增效，许多人对 3D 打印对未来制造的影响充满期待。但事实是，它已对行业和个人用户产生重大影响。家用 3D 打印机用作研发产品和工业设计 3D 模型。但说它仅为工业客户产品是错的。因打印材料随时间变得更便宜、易得，它正在民用客户中广泛普及。此外，3D 打印机占用空间远小于传统减材工具间方法（如 CNC 铣削、车削、精密磨削）。当下建模软件的普及也助推技术发展。通常模型保存为 STL 格式，这是基于 CAD 模型三角剖分存储数据的快速原型 CAD 文件格式。但该格式存储大量晶格结构产生误差。新软件用增材制造文件格式 (AMF) 存储，产生误差更少。且这些软件有用户友好界面，让民用和工业用户都能轻松建模产品 3D 模型。近期研究显示，2020 年全球 3D 打印机出货量将达 670 万台，是 2016 年的 14 倍。随新技术改进 3D 打印机用途，技术将继续推动制造业迈向更高峰。
SLA 与 SLS 如何革新快速原型制造
图 1：2015-2020 年全球 3D 打印机出货量

3D 打印技术

谈到 3D 打印技术，两大最常用技术是：SLA 快速原型 & SLS 快速原型。

1. SLA 快速原型

SLA 快速原型又称立体光刻，是利用光聚合技术逐层创建不同原型、模型、图案的 3D 打印技术。光聚合是分子在光作用下连接形成聚合物的过程。简单说，树脂（制作原型材料）用光和紫外线固化。这样利用 SLA 快速原型逐层创建所需原型。
SLA 与 SLS 如何革新快速原型制造
图 2：展示 SLA 快速原型工艺的示意图

紫外辐射在光聚合物槽上构建预编程形状。因光聚合物对紫外辐射敏感，树脂固化形成所需原型单层。这样逐层固化树脂层直至形成所需原型。SLA 原型产品在所有 3D 快速原型技术中拥有最高分辨率和表面光洁度，其通用性在于树脂。随技术发展，材料工程师创造了性能匹配标准工程热塑性材料的不同 SLA 原型树脂。

用途

SLA 快速原型自问世以来广泛用于各行业产品开发。

· 医疗建模

SLA 快速原型产品自技术引入即用于医疗。基于计算机扫描数据创建患者不同身体区域的解剖 3D 模型。这些模型用于辅助诊断和治疗。外科医生用这些模型辅助手术，假肢师用它们制造定制贴合植入物。
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图 3：SLA 快速原型生成的模型

· 原型制作

SLA 快速原型也用于以相对较低成本创建规则/不规则形状材料的原型。SLA 快速原型制作的原型可被加工，可形成各种金属铸造操作的图案。

2. SLS 快速原型

选择性激光烧结俗称 SLS 快速原型，使用激光作为粉末材料固化剂。主要用粉末材料是尼龙。尼龙是具有卓越机械性能的工程热塑性塑料，轻量稳定。这种 3D 打印机自动瞄准激光照射粉末材料使其固化以创建所需结构。SLS 快速原型不同于选择性激光熔化 (SLM)：SLM 熔化材料而非 SLS 的烧结。
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图 4：展示 SLS 快速原型工艺的示意图

SLS 快速原型像 SLA 一样利用计算机辅助设计开发所需原型，借助烧结粉末。使用大功率激光（多为二氧化碳激光，是微小粉末颗粒熔融源）以粉末形式融合烧结材料成所需原型形状。激光扫描 CAD 模型生成的横截面，选择性熔融烧结材料成所需原型形状。横截面扫描后，粉末床下降，顶部铺设新层材料，直至形成所需产品。SLS 快速原型用的尼龙材料使其适合制造高机械强度、抗冲击、轻量、耐水原型。低成本生产和高生产力使该技术在工业快速原型中颇受欢迎。