DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 08. 001
赵光华，刘志涛，李耀棠. 光固化3D打印：原理、技术、应用及新进展［J］ . 机电工程技术，2020，49（08）：1-6.
基金项目：广东省重点领域研发计划项目（编号：2020B090924001）；广东省科技计划项目（编号：2015B010125003）
光固化3D打印：原理、技术、应用及新进展*
赵光华，刘志涛，李耀棠※
（中科院广州电子技术有限公司， 广州510070）
摘要：简述了目前广泛使用的光固化3D打印技术的发展历史，结合光与聚合物相互作用、光固化机理、各种工艺特点等，介绍了几种常用的光固化3D打印技术。基于所在光固化3D打印设备、打印材料及有关工艺方面的技术成果，介绍了光固化3D打印技术在医学骨科领域、珠宝首饰行业和动漫衍生品制作的应用。述评了近年发展的几种高速光固化3D打印技术，探讨了进一步提高MPSL 3D打印速度需要突破的技术难题。可为高速光固化3D打印技术和设备研发、打印工艺优化等提供参考。
关键词：立体光刻；3D打印；光固化；树脂；掩模投影
中图分类号：TP391.73 文献标志码：A 文章编号：1009－9492 ( 2020 ) 08－0001－06
Stereolithography: Principle, Technologies, Applications and Novel Developments
Zhao Guanghua，Liu Zhitao，Li Yaotang※
（Guangzhou Electronic Technology Co. Ltd., Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510070, China）
Abstract: A brief historic tour of stereolithography was introduced. The photo-physical process of light-polymer interaction and the curing mechanism were described. Several common-use technologies of stereolithography were presented. On the basis of the research work on stereolithography including equipment,materials and processes, the applications of stereolithography in orthopedics, jewelry and animation derivatives were presented. A review on rapidly developed technologics of high speed stereolithography was given and existing problems and the key technical issues for bottom-up MPSL with higher printing speed were discussed. The paper may provide guidance for R&D of high speed MPSL and printing process optimization.
Key words: stereolithography; 3D printing; light curing; resin; mask projection
引言
光固化3D 打印， 亦称立体光刻（Stereolithography，SLA），是最早发展的商用3D技术，也是目前非金属类的物件快速制造广泛使用的主流技术，以其使用耗材的市场份额计算，光聚合物在3D打印耗材的占比为31.9%[1]，如图1所示，占主导地位。
最早的光固化3D打印可以追溯到20世纪70年代。1977年，W K Swainson[2]提出使用两束交叉的激光束照射液态单体材料表面引起共价交联反应固化，固化层在液槽内逐渐降低便可制造出一个三维实体的概念。尽管专利实际上没有实施，但这一概念引导了光固化3D打印的发展。
1981年，日本名古屋市工业研究所Hideo Kodama[3]提出：利用合适的掩模来控制UV光源的曝光区域从树脂槽的顶部或底部逐层固化树脂，也可以使用X-Y 绘图仪带动光纤UV点光源扫描的方式逐层固化树脂，实现3D打印。Kodama是第一个描述逐层打印制造方法并亲手搭建了光敏树脂通过紫外光聚合的光固化3D打印系统的人，遗憾的是他没有提出专利申请。
1982年，美国3M公司A J Herbert[4]提出了两种逐层光固化打印的方法，一是将聚焦的紫外光束照射到可旋转树脂槽的树脂表面，聚焦光束同时沿径向移动，实现固化层打印；另一是利用X-Y 绘图仪带动聚焦的紫外光束照射到光敏树脂表面上扫描打印固化层。在Herbert的系统里，利用计算机来控制聚焦激光束、升降树脂槽并涂覆新的一层液态光敏树脂。同一时期，美国Charles W Hull也对该技术感兴趣并提出现代立体光刻的构想，通过控制紫外激光束扫描液态光敏树脂表面使其逐层固化堆叠，最终打印出一个3D 实体物件。
Hull[5]于1984 年提交了SLA （StereoLithography Apparatus） 的第一项专利的申请并于1986年获得授权。随后，他成立了3D Systems公司，并于1988年发布了3D Systems公司的第一个商用光固化3D打印设备SLA-1。几乎同时，法国J C Andre′等[6-7]也申请了相似的专利。
早期基于激光束扫描的SLA工艺打印速度很慢，打印一个咖啡杯大小的物件就需要几个小时，固化后的树脂材料强度和耐热性也较差，另外逐层固化后层与层之间结合的机械强度也比较脆弱，实用性受限。由于近年来实际应用对提高打印速度的迫切要求以及材料、空间光调制器等关键元器件的技术进步，光固化3D打印由最初点-线-面激光扫描的SLA工艺发展到目前普遍使用DMD、LCD、LCOS作空间光调制器的掩模投影面曝光工艺，从而使打印速度和精度有了极大的提高。由于约束表面粘结分离、工件提拉力、树脂回流填充、树脂散热等问题仍未得到很好的解决，限制了大横截面工件打印速度的提高，目前发展的几种高速光固化3D打印技术仅多用于网状镂空、细小线条设计的工件打印场合，大截面光固化高速打印需要研究突破。
结束语
掩模投影面MPSL是高光固化3D打印发展的方向，近年迅猛发展的高速光固化3D打印技术，已展现出其在精密铸造型模、医学/牙科、精密机械零件和日用消费品制造等方面有广阔的应用前景。要实现MPSL更高的打印速度，认为需要从以下3个方面创新突破。
（1） 空间光调制器是掩模投影的核心器件，目前可供使用的有数字微镜器件（DMD）、硅基液晶器件（LCOS） 和液晶显示屏（LCD）。LCD最早被用，但其紫外光通过率仅有12.5%，对比度也较低，使用寿命较短，在工业领域已较少使用；LCD最大的优势是价格极其便宜，一块带驱动电路的2k彩屏也仅几百元，且使用LCD的光固化3D打印机打印出来的物件精度也很高，在对速度要求不高的应用场景有非常大的市场空间。LCOS可以被看作是反射式LCD，但它有比LCD更大的开口率，硅基上用CMOS工艺制备的微反镜表面比DMD更平滑，但对比度不高仍带来使用上的问题，目前的性价比也低于DMD。DMD是目前MPSL、MPmSL使用主流的器件，其开口率高达91% （LCD仅有57%）、光反射率达88%，光利用率和对比度都很高，微镜的调制速度为20 ms （LCD为20 ms），这意味着可以有更高的投影帧率配合实现高速打印。在更大尺寸、更高像素数的DMD芯片没商用之前，可以考虑拼接和/或像素位移的方式实现大尺寸精细的打印。
（2） 光固化树脂材料的特性是影响打印速度的重要因素之一，如丙烯酸酯的光聚合涉及C == C 双键和C == O双键裂解转换，自由基链式聚合一旦引发，分子量迅速增加，导致体系黏度急剧增大，凝胶点提前，链运动困难，因此存在双键转化率较低而影响固化速度。一种解决途径是加入可以和丙烯酸酯共聚的巯基单体，将凝胶点延迟，因此双键转化率增加，丙烯酸酯与巯基单体共聚还能有效改善固化收缩率、热和机械性能。
（3） 打印过程中的快速提拉吸附力，树脂回流填充，树脂散热等工艺问题也是制约进一步提高打印速度的重要因素。提高树脂槽界面的超滑特性可以降低工件的提拉吸附力和提高树脂的回流填充速度，两种可行方法是：一是在树脂槽窗口的表面上用电化学沉积、界面聚合、合成涂层等方法构建一层异质多孔结构层，再灌注氟化油进一步获得超滑特性；二是用飞秒激光直接在窗口材料表面上构建多孔结构，实现稳定的超滑特性。