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立体光固化 (SLA) 3D 打印指南

Stereolithography SLA 3D printer

立体光固化 (SLA) 3D 打印技术可通过一系列先进材料,生产具有精细特征和光滑表面光洁度的高精度、各向同性的水密原型及部件,因而广受欢迎。 

在本篇全面性指南中,了解 SLA 打印技术的工作原理、如今为数千专业人士使用的原因,并探索 SLA 3D 打印技术如何为您的工作带来效益。

Stereolithography - Form 3 Resin 3D Printer
白皮书

桌面级立体光固化 (SLA) 3D 打印介绍

您是否在寻找一台 3D 打印机以制造高分辨率的 3D 模型?下载我们的白皮书以了解 SLA 打印的工作原理,以及为什么 SLA 打印是可创建具有完美细节模型的最受欢迎的 3D 打印流程。

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立体光固化(SLA)3D打印介绍

3D 打印技术的进步不断地改变着企业制作原型和产品的方式。随着 3D 打印技术的普及和成本的降低,以及硬件和材料的进步以适应市场机遇和需求,设计师、工程师等正在将 3D 打印技术整合到整个开发周期的工作流程中。

在各个行业中,3D 打印正在帮助专业人士削减外包成本、加快迭代速度、优化生产流程、甚至开启全新的商业模式。

尤其是立体光固化 3D 打印技术已经发生了重大的变化。传统上,树脂 3D 打印机体积庞大,且成本高昂,需要熟练的技术人员和昂贵的劳务合同。如今,小型桌面级打印机可生产工业级品质的产品,价格更实惠,具有无与伦比的多功能性。

什么是立体光固化 3D 打印?

立体光固化是一种被称作光聚合的增材制造技术,通常称为树脂 3D 打印。这些机器都是基于同样的原理建造的,使用光源(激光或投影机)将液态树脂固化成硬化塑料。它们的主要物理区别在于核心组件的布置,如光源、构建平台和树脂槽。

观看立体光固化 (SLA) 3D 打印的工作原理。

SLA 3D 打印机使用光敏性热固性材料,称为“树脂”。当 SLA 树脂暴露在特定波长的光下时,短分子链连接在一起,将单体和低聚物聚合成固化的刚性或柔性几何形状。

Infographic - resin 3D printing -  A graphic representation of the basic mechanics of stereolithography (SLA) 3D printing.

立体光固化 3D 打印基本原理的图示。

与其他所有 3D 打印技术打印的部件相比,SLA 打印部件具有最高的分辨率和精度、最清晰的细节和最高的表面光洁度,但立体光固化的主要优势在于其多功能性。

材料制造商创造了创新的 SLA 树脂配方,具有广泛的光学、机械和热性能,以匹配标准、工程和工业热塑性塑料。

FDM vs SLA vs SLS comparison - 3D printing technologies for plastics - Infographic

将立体光固化 3D 打印技术与其他两种常见的塑料部件生产技术进行比较:熔融沉积成型 (FDM) 和选择性激光烧结 (SLS)。

Form 3L Sample Part
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SLA 3D 打印工作流程

观看了解如何进行从设计到使用 Form 3 SLA 3D 打印机 3D 打印的操作。这段 5 分钟的视频将介绍使用 Form 3 的基本技巧,包括软件、材料以及打印和后处理工序。

1. 设计

 

Design - Cad Software for 3D printing

使用任意 CAD 软件或 3D 扫描数据来设计模型,并将其导出为 3D 打印文件格式(STL 或 OBJ)。每台 SLA 打印机都包含软件来指定打印设置,并将数字模型切片成层以进行打印。设置完成后,打印准备软件通过无线或有线连接将指令发送到打印机。

更高级的用户可能会考虑专为 SLA 进行设计,或采取如掏空部件的步骤以节省材料。

 

2. 打印

 

Resin 3D printer in action - laser

在快速确认正确设置后,打印过程开始,机器可以在无人看管的情况下运行,直到打印完成。在带有树脂盒系统的打印机中,材料会由机器自动补充。

Formlabs 的在线 Dashboard 可远程管理打印机、材料和团队。

 

 

3. 后处理

 

Post-processing - 3D printing

打印完成后,需要使用异丙醇 (IPA) 清洗部件,以去除其表面未固化的树脂。待清洗过的部件干燥后,一些材料需要进行后固化,这一工序有助于部件达到最高的强度和稳定性。最后,从部件上取下支撑并打磨残留的支撑标记以获得整洁的表面。SLA 部件易于加工、上底漆涂装组装,以用于特定应用或后处理工序。

后固化对于工程用功能性树脂尤其重要,同时是一些牙科和珠宝材料和应用的必经工序。

 

立体光固化的发展简史

SLA 3D 打印工艺最早出现于 20 世纪 70 年代初,当时日本研究员Hideo Kodama 博士发明了利用紫外光固化光敏聚合物的立体光固化现代分层方法。立体光固化这一术语是由 Charles (Chuck) W.Hull 创造的,他于 1986 年获得了该技术的专利,成立了 3D Systems 公司并将其商业化。Hull 将该方法描述为,通过连续“打印”可被紫外光固化的材料薄层来创建 3D 物体。

然而,SLA 3D 打印并不是第一个获得广泛普及的 3D 打印技术。随着专利在 2000 年代末到期,小型桌面级 3D 打印的引入扩大了增材制造的应用范围,熔融沉积成型 (FDM) 首次在桌面平台上得到了应用。

这项经济实惠的技术以挤压成型为基础,虽然引发了第一波 3D 打印的广泛应用和对 3D 打印的认识,但是 FDM 机器仍然无法满足广泛的专业需求,尤其是可重复的高精度成品对于专业应用至关重要,正如生物相容性材料之于牙科行业,又如创建精细特征的能力之于各类行业(如珠宝)和应用(如微流体)也同样重要。

Prototypes of the Form 1, the first desktop SLA 3D printer.

Form 1 的原型,第一台桌面级 SLA 3D 打印机。

桌面级 SLA 打印机颠覆市场

很快,继 FDM 之后,SLA 打印也被应用于桌面级机器,Formlabs 在 2011 年采用该技术。小型桌面级 SLA 打印机以更小、更经济的设置,采用一系列打印材料,带来了高分辨率的 3D 打印,在以前,这只能通过大型的工业级系统完成。这些功能扩展了 3D 打印的使用范围,适用于各个学科的各种定制和高精度应用,包括工程、产品设计和制造,以及牙科、珠宝和其他行业。

2015 年,Formlabs 发布了下一代 SLA 3D 打印机 Form 2,该打印机成为业界领先的桌面级 3D 打印机,打印的部件从价格实惠的定制假肢到可定制的剃须刀手柄系列,应有尽有。

Form 2 改写了 SLA 3D 打印的历史,推广了“分布式”生产模式,公司可以逐步扩大输出,随着需求的增加添置更多的小型打印机,并且可以灵活地在每台打印机上使用不同的材料进行打印。更加先进的树脂不断解锁除原型制造以外的其他应用,开始应用于跨行业的生产以及终端使用的部件,因此,材料的日渐成熟会不断扩大这种生产模式的应用。

2019 年,Formlabs 通过推出 Form 3 和 Form 3L 在业界作出了又一跨越式的改变,这两款硬件产品的系统建立在全新的打印流程之上,为 SLA 技术设立了新的标准。

The Formlabs Form 3 and Form 3L are built on Low Force Stereolithography (LFS) 3D printing technology, an advanced form of SLA which uses a flexible tank and linear illumination to turn liquid resin into flawless prints.

Formlabs Form 3 和 Form 3L 以低强度立体光固化 (LFS) 3D 打印技术为基础,利用柔性树脂槽和线性照明将液态树脂转变为无暇部件,是 SLA 技术的一种高级形式。

SLA 技术的下一篇章:低强度立体光固化 3D 打印

低强度立体光固化 (LFS) 技术是 SLA 3D 打印的下一阶段,可满足当今市场对可扩展、可靠的工业级品质 3D 打印的需求。

这种形式先进的 SLA 3D 打印使用柔性树脂槽和线性照明,大大减少了在打印过程中施加在部件上的力,可提供令人难以置信的表面质量和打印精度。较小的打印力度使得轻触式支撑结构易于撕开,该工艺为未来开发先进的生产预备材料开辟了广泛的可能性。

反向 SLA 打印带来了剥离力,当打印件从树脂槽表面脱离时,会受到剥离力的影响,因此其成型体积受到了限制,且需要坚固的支撑结构。Formlabs Form 2 经过了严格的校准,以解决剥离工序产生的剥离力问题,进而生产高质量部件。了解更多关于 Form 2 与 Form 3 之间的区别,其中 Form 3 使用 LFS 技术。

LFS 3D printing

LFS 3D 打印技术使用柔性树脂槽和线性照明,大大减少了在打印过程中施加在部件上的力,可提供令人难以置信的表面质量和打印精度。通过此深入了解的视频了解更多有关 LFS 工作原理的信息。

Stereolithography
网络研讨会回放

Form 3 简介

观看我们的产品演示,与 Formlabs 专家一起体验 Form 3+ 和 LFS 3D 打印技术。

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为什么选择 SLA 3D 打印?

工程师、设计师、制造商以及越来越多的人选择 SLA 3D 打印技术,因为它能提供精细的特征、光滑的表面光洁度、最终部件的精度和准确度,以及诸如各向同性、水密性和材料多功能性等的机械特性。

各向同性

由于 3D 打印每次只打印一层,因此在打印完毕后,部件在相关打印工序具有不同的定向,其强度也会发生变化,在 X、Y 和 Z 轴上具有不同的属性。

由于打印过程产生的层间差异,诸如熔融沉积成型 (FDM) 之类的以挤压成型为基础的 3D 打印部件是各向异性的。这种各向异性限制了 FDM 在某些应用中的实用性,或者需要对部件几何形状进行更多的调整来加以弥补。

阅读关于 FDM vs. SLA 3D 打印机的深入指南,了解它们在打印质量、材料、应用、工作流程、速度、成本等方面的区别。

相反,SLA 树脂 3D 打印机能创建具有高度各向同性的部件。实现部件各向同性基于很多因素,可以通过将材料化学与打印工序相结合来严格控制。打印时,树脂组分形成共价键,但是在层与层之间,部件仍处于半反应的“原始状态”。

处于原始状态时,树脂会保留可以跨层形成共价键的聚合物基团,在最终固化时赋予部件各向同性和水密性。在分子层级,X、Y 或 Z 平面之间没有差异。这就能带来具有可预测机械性能的部件,对于夹具和固定装置、终端使用部件和功能原型等应用至关重要。

Fused deposition modeling
SLA printed parts are highly isotropic compared to those produced with fused deposition modeling (FDM).

相对于熔融沉积成型 (FDM) 打印部件,SLA 打印部件具有高度各向同性。

Because they are isotropic, SLA printed parts like this jig from Pankl Racing Systems can withstand the variety of directional forces they undergo during high stress manufacturing operations.

由于具有各向同性,SLA 打印部件(例如图中由 Pankl Racing Systems 制造的夹具),可以在高应力制造操作时承受不同方向的力。

水密性

无论是生产实心还是含内部通道的几何形状,SLA 打印部件都是连续的。这种水密性对于必须控制和预测空气或流体流动的工程和制造应用非常重要。工程师和设计师利用 SLA 打印的水密性来解决汽车应用、生物医学研究中的空气和流体流动问题,并验证厨房电器等消费品的部件设计。

OXO relies on the watertightness of SLA printing to create robust functional prototypes for products with air or fluid flow, like this coffee maker.

OXO 依赖于 SLA 打印技术的水密性,为涉及空气或流体流动的产品创建坚固的功能原型,例如这个咖啡机。

准确度和精度

从牙科到制造业,各个行业都依赖于 SLA 3D 打印技术来反复创建准确而精的组件。打印过程要生产出准确且精密的部件,就必须严格控制多种因素。

与机加工的准确度相比,SLA 3D 打印的准确度介于标准加工和精细加工之间。在现有的商用 3D 打印技术中,SLA 有最严格的公差。了解更多有关 3D 打印中的公差、准确度和精度的信息。

加热的树脂槽结合封闭的构建环境,为每个打印件提供了几乎相同的条件。与熔化原材料的热塑性技术相比,SLA 打印准确度更高的另一个原因是打印温度较低。由于立体光固化利用的是光而不是热,所以打印过程在接近室温的条件下进行,并且打印部件不会受到热膨胀和收缩的影响。

An example from the dental industry comparing a scanned component with the original CAD geometry, demonstrating the ability to maintain tight tolerances across an SLA printed part.

牙科行业的这个案例中,扫描组件与原始 CAD 几何图形进行了比较,证明在 SLA 打印部件上保持严格公差的能力。

低强度立体光固化 (LFS) 3D 打印将光学器件容纳在沿 X 轴方向移动的 Light Processing Unit (LPU) 内。一个电流计将激光束在 Y 轴方向上定位,然后使其经由反射镜和弧面镜,以提供始终垂直于构建平面的光束,因此电流计始终沿直线移动,以提供更高的精度和准确度,并使硬件在扩展到更大的尺寸(如 Formlabs 的较大型 SLA 打印机 Form 3L)时依然能够保持一致性。LPU 还利用空间滤波器来创建清晰、干净的激光光斑,以获得更高的精度。

各种材料的特性对于确保可靠、可重复的打印过程也很重要。

Formlabs Rigid Resin has a high green modulus, or modulus before post-curing, which means it’s possible to print very thin parts with precision and a lower chance of failure.

Formlabs Rigid Resin 具有较高的原始模量,或固化前模量,这意味着可以打印出兼具高精度和低失败率的超薄部件。

精细特征和光滑的表面光洁度

SLA 打印被视为光滑表面光洁度的黄金标准,其外观可与传统的制造方法(如机加工、注射成型和挤压成型)相媲美

这种表面质量非常适合需要无瑕光洁度的应用,也有助于减少后处理时间,因为部件可以轻松打磨、抛光和涂装。例如,吉列 (Gillette) 等领先企业使用 SLA 3D 打印技术创建终端使用的消费品,如 Razor Maker 平台上的 3D 打印剃须刀手柄。

Leading companies like Gillette use SLA 3D printing to create end-use consumer products, like the 3D printed razor handles in their Razor Maker platform.

吉列 (Gillette) 等领先企业使用 SLA 3D 打印技术制造终端使用的消费品,如 Razor Maker 平台上的 3D 打印剃须刀手柄。

Z 轴层高通常用来定义 3D 打印机的分辨率。在 Formlabs SLA 3D 打印机上,分辨率可以在 25 到 300 微米之间进行调整,从而在速度和质量之间进行权衡。

相比之下,FDM 和 SLS 打印机打印的 Z 轴层通常在 100 到 300 微米之间。但是,在 FDM 或 SLS 打印机上以 100 微米打印的部件与在 SLA 打印机上以 100 微米打印的部件在外观上并不相同。由于 SLA 打印件最外围的壁面是直的,且新的打印层与前一层相交,消除了阶梯效应,因此打印件在取出打印机后具有更平滑的表面光洁度。FDM 打印件往往有清晰可见的打印层,而 SLS 打印件则由于含烧结粉末,因此具有颗粒状表面。

与工业 SLS 打印机上的 350 微米和 FDM 机器上的 250-800 微米喷嘴相比,Form 3 上的激光光斑尺寸为 85 微米,因此 SLA 打印件上的微小细节也要精细得多。

While FDM 3D printed parts tend to have visible layer lines and might show inaccuracies around complex features, parts printed on SLA machines have sharp edges, a smooth surface finish, and minimal visible layer lines.

FDM 3D 打印部件往往具有可见的层线,并且复杂特征可能显示不准确,而在 SLA 机器上打印的部件具有锋利的边缘,光滑的表面光洁度和最小的可见层线。

材料多功能性

SLA 树脂具有广泛的配方配置优势:材料或大量填充玻璃和陶瓷等辅助材料,或具有较高热变形温度或抗冲击性等机械性能,可兼顾不同的软硬度。材料范围广泛,涵盖从特定行业(如义齿)到与原型制作的最终材料紧密匹配的材料,这些材料经过配制,可承受大量测试并在应力下发挥性能。

Using Ceramic Resin, you can 3D print parts with a stone-like finish and fire them to create a fully ceramic piece.

使用 Ceramic Resin,您可以 3D 打印仿石表面的部件,并将其烧制成一个完整的陶瓷制品。

对于有些公司来说,这种多功能性和功能性的结合正是其最初将树脂 3D 打印引入内部的原因。在发现使用特定的功能材料可以解决某种应用后,通常不久后就会发现更多的可能性,而打印机则会成为利用各种材料的这些不同功能的工具。

例如,谢菲尔德大学 (University of Sheffield) 先进制造研究中心 (AMRC) 的设计与原型制造小组的数百名工程师依赖于开放式使用 12 台 SLA 3D 打印机和各种工程材料与波音 (Boeing)、劳斯莱斯 (Rolls-Royce)、BAE系统 (BAE Systems) 和空中客车 (Airbus) 等工业合作伙伴一起支持高度多样化的研究项目。该团队使用 High Temp Resin 来 3D 打印垫圈、支架和传感器安装系统用以承受高架,并利用 Durable Resin 来创建复杂的定制弹性组件,用在能够进行复合材料制造自动化的取放机器人上。

Engineers at the AMRC use a fleet of 12 SLA 3D printers and a variety of engineering materials to print custom parts for diverse research projects, like brackets for a pick and place robot
Engineers at the AMRC mounts for sensors in a high-temperature environment

AMRC 的工程师使用 12 台 SLA 3D 打印机和各种工程材料来打印不同研究项目的定制部件,比如用于取放机器人的支架(上)和用于高温环境中的传感器支架(下)。

交互式工具

为您的应用寻找合适的材料

您是否需要帮助以确定应该选择哪种 3D 打印材料?新的交互式材料向导可以帮助您根据应用以及您最在意的性能,在我们不断扩大的树脂资源库中选择合适的材料。

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SLA 3D 打印技术的应用

SLA 3D 打印技术加速创新,支持各行各业的企业,包括工程、制造、牙科、医疗保健、教育、娱乐、珠宝、听力学等等。 

Engineering and Product Design 3D Printing

制造

利用 3D 打印快速成型可帮助工程师和产品设计师将创意转化为现实的概念验证,并将其演变为高度逼真的原型,这些原型在外观和运作上都与最终产品一致,并能指导产品通过一系列校验阶段,从而进行批量生产。

Manufacturing 3D Printing

工程和产品设计

与传统制造相比,制造商通过原型制作工具和直接 3D 打印定制工具、模具和制造辅助工具,以低得多的成本和周转时间,实现生产流程的自动化和工作流程的简化。这降低了制造成本和缺陷,提高了质量,加快了装配速度,并最大限度地提高了劳动效率。

Dental 3D printing

牙科

数字牙科降低了人为因素带来的风险和不确定性,在工作流程的每个阶段提供更高的一致性,准确性和精度,以改善患者护理。3D 打印机可以低成本生产一系列高质量的定制产品和设备,具有出色的贴合性和可重复的结果。

Education 3D Printing

教育

3D 打印机是用于沉浸式学习和高级研究的多功能工具。它们可以鼓励创造力,让学生接触专业水平的技术,同时支持覆盖科学、工程、艺术和设计的 STEAM 课程。

Healthcare 3D printing

医疗保健

经济实惠的专业级桌面 3D 打印可帮助医生提供定制的治疗和设备,以更好地服务于每个独特的个体,为高成效的医疗应用打开了大门,同时为各种组织节省了从实验室到手术室的大量时间和成本。

Entertainment 3D printing

娱乐

高清实体模型广泛用于雕刻、角色建模和道具制作。3D 打印部件已经出现在了定格动画电影、电子游戏、定制服装,甚至是大片电影的特效中。

Jewelry 3D printing

珠宝

珠宝专业人士使用 CAD 和 3D 打印技术进行快速原型设计,满足客户要求,并生产大批量可直接铸造的成品。数字工具可以创建一致且细节清晰的作品,而不像蜡雕那样繁琐和易变。

Audiology 3D Printing

听力学

听力专家和耳模实验室使用数字工作流程和 3D 打印技术,更一致地生产高质量的定制耳部产品,并为耳后助听器、听力保护、定制耳塞和耳机等应用提供更高的产量。

将 SLA 3D 打印引入内部生产

许多公司开始通过外包服务机构或实验室使用 3D 打印。当团队偶尔需要 3D 打印时,或者需要独特材料属性或应用的一次性打印时,外包生产可能是一个很好的解决方案。服务机构还可以提供各种材料的建议,并提供增值服务,如设计或高级精加工。

外包的主要缺点是成本高和周转时间长。通常,随着需求的增加,外包会转向内部生产。与传统制造方法相比,3D 打印的最大优势之一在于其速度,传统制造方法需要数天甚至数周才能得到外包部件,和 3D 打印相比立马相形见绌。随着需求和生产的增长,外包也迅速变得昂贵。

由于经济实惠的工业级品质 3D 打印的兴起,如今,越来越多的公司选择立即将 3D 打印技术引入内部,垂直整合到现有的商店或实验室,或是工程师、设计师和其他人员(可能会受益于数字设计与实体部件之间的转换,或参与小批量生产的人员)的工作区中。

当您急需部件时,小型桌面级 SLA 3D 打印机是您的理想选择。根据部件数量和打印量,对小型 3D 打印机的投资可在几个月内实现收支平衡。此外,对于小型机器,可以根据业务需求增加生产支出,并在需求增长时通过额外增加机器来扩大生产规模。使用多台 3D 打印机还可以灵活地同时打印不同材料的部件。服务机构仍然可以打印较大的部件或非常规材料,以补充这种灵活的工作流程。

3d printing cost
交互式工具

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快速周转和快速设计变更

快速周转是桌面级 3D 打印机所具有的一大优势。当与打印机构合作时,周转时间、沟通和运输都会造成延误。使用 Form 3 这样的桌面级 3D 打印机,部件可以在几小时内完成,使设计师和工程师能够在一天内打印多个零件,有助于加快迭代并大幅缩短产品开发时间,并快速测试机构和装配,避免代价高昂的工具变更。

节省费用

拥有桌面级 3D 打印机可以显著节省 3D 打印服务机构和传统加工上的费用,因为随着需求和生产的增长,这些方式会迅速变得昂贵。

例如,为了完成紧张的生产任务,Pankl Racing Systems 的工艺工程师和团队为他们的生产线直接引入了 SLA 3D 打印技术来生产定制夹具和其他小型部件。虽然内部 SLA 最初遭到怀疑,但已成为加工各种工具的理想替代。在一则案例中,内部使用 SLA 将夹具的周转时间缩短了 90%,从两周到三周减少到不到一天,并将成本降低了 80–90%。

成本比较:Pankl Racing Systems 的定制夹具

成本周转时间
内部 SLA 3D 打印$9–$285–9 小时
CNC 加工$45–$3402–3 周
外包 3D 打印 $51–$1371–3 weeks

 

Pankl Racing Systems significantly reduced lead times and costs by 3D printing custom jigs in-house.

Pankl Racing Systems 通过内部 3D 打印定制夹具显著削减了周转时间和成本。

按需扩大生产

对于小型机器,可以根据业务需求支付所需的打印量,在需求增长时,可通过额外增加机器来扩大生产规模。使用多台 3D 打印机还可以灵活地同时打印不同材料的部件。

The Design and Prototyping Group at the University of Sheffield Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) runs an open-access additive manufacturing station with a fleet of 12 Form 2 stereolithography (SLA) 3D printers

谢菲尔德大学先进制造研究中心 (AMRC) 的设计与原型制造小组运营着一个开放式 增材制造站 ,其中包含 12 台 Form 2 立体光固化 (SLA) 3D 打印机,为在整个制造站中开展各种项目的数百名工程师所使用。

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Formlabs offers two high precision SLA 3D printing systems, a growing library of specialized materials, intuitive print preparation and management software, and professional services - all in one package.

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