光固化快速成型(stereo lithography apparatus,SLA),是最早发展起来的快速成型技术。利用材料累加成型的基本原理,以液态光敏树脂为原料,通过控制紫外光束扫描液态光敏树脂,使其有序固化成型,材料利用率接近100%.激光照射液态光敏树脂固化分层进行三维物体成型的概念,最初是由美国的Charles W. Hull在他的博士论文中提出,并获得了专利.同年,由3D Systems公司推出第一台商品化的光固化快速成型设备.

 光固化快速成型作为一种多学科、多技能高度交叉集成的技术,其整体性能的发展依赖于各部分单元技术的发展.目前从事光固化成型技术研究的公司中,美国的3D Systems公司在国际市场上所占的份额最大,另有Stratasys公司、德国EOS公司、日本CMET公司，Denken Engineering公司、Autostrade 公司以及国内的西安交通大学等.光固化快速成型技术以其卓越的成型性能,成型工件可作为功能件直接应用,并且具有较高的强度和硬度,对于特别复杂件、特别精细件也可进行成型,因此被广泛应用于各个领域.

1、传统光固化快速成型原理

 光固化快速成型原型机的系统结构如图1 所示,基于液态光敏树脂的光固化原理. 光固化开始后,在升降台表面首先附上一定厚度的液态树脂,振镜系统在计算机控制下,使聚焦后的紫外激光束按零件分层后的扫描路径,在液态树脂表面进行扫描,完成第一个固化层,升降台下移一定距离,并由刮刀刮平固化层表面的树脂,再进行后续层的扫描,新的固化层在前一层的表面固化,计算机根据零件各层的分层信息重复整个工作流程,直至工件加工完成.将工件取出后或进行进一步固化或直接进行后续的表面处理,如喷砂、打磨等.

2、光固化成型技术的研究进展

 随着现代3D打印技术的发展,光固化快速成型技术已由传统激光快速成型逐步向面曝光、喷射固化成型等方向发展. 超越了传统单材、均质加工技术的限制,在材料性质和种类、制作层次、制件功能等方面有了巨大进步.国内外相关领域的学者为3D打印技术的进步做出了大量的研究工作.

2.1 传统光固化快速成型

 通过激光逐行扫描使光敏树脂固化的传统光固化成型方式,经过近几十年的发展,性能和工艺特性都得到了稳步的提升. 目前传统光固化成型系统所用光源大多采用半导体泵浦的三倍频Nd:YVO4固体激光器替代He-Cd激光器,使激光器寿命更长,加之光学系统的改进,进一步满足了设备对成型速度和成型精度的要求.

 在提高传统光固化快速成型精度方面,为避免树脂涂层厚度对精度的影响,Jacobs等提出了“二次曝光法”,西安交大的学者还提出了“改进的二次曝光法”用以避免层间漂移问题.另外进行一定的光斑补偿,针对不同的工件运用不同扫描方式也可有效地提高扫描精度.然而,面对逐步提升的制件标准,目前的3D打印数据标准已不能满足高精度的制件要求.快速成型过程中,模型数据分层处理大都是基于STL格式文件的切片,其根据三角形逼近的方式产生曲面,无论精度多高也会不可避免地产生误差.以直径100mm的球体为例,如图2所示,利用Pro/E导出的弦高分别为0.1和1.0时的STL格式文件.由Pro/E直接存储为STL文件后图形精度不能得到保证.

 为避免原始模型在转化为STL格式后精度降低的问题,美国3D Systems 公司于1992年推出了SLC数据格式,它是对三维CAD数据模型进行二维半的轮廓表述,即在z轴方向上由一系列横截面组成,三维模型的每层截面信息由内、外边界等多线表述.由切层导致的“台阶效应”在一定程度上导致了工件误差的产生,如图3所示.

更多SLA三维打印介绍，请阅读光固化快速成型技术的进展及应用（二）；