光固化3D打印工艺简介

一、光固化3D打印概述

光固化3D打印（Vat Photopolymerization）是利用特定波长紫外光照射液态光敏树脂，使其发生聚合反应而逐层固化成形的增材制造技术。光固化是所有3D打印技术中出现最早、技术最成熟、应用最广泛的技术路线之一，因其成型精度高、表面质量优异，在齿科、珠宝、医疗、产品原型开发等领域占据重要地位。

根据光源与固化方式的不同，光固化3D打印可划分为多种技术分支，其中SLA、DLP、LCD是目前最主流的三大类型。

二、主流技术类型

1. SLA（立体光固化成型）

SLA（Stereolithography） 诞生于1986年，是世界上第一种商用3D打印技术。

• 原理：使用紫外激光束（主流波长355nm或405nm）通过振镜系统控制光斑路径，在液态树脂表面逐点扫描固化每一层的截面图案。每完成一层，平台上升一定高度（约0.05-0.1mm），新树脂覆盖后重复扫描，直至模型完成。
• 特点：
• 精度极高：激光光斑直径可小至0.01mm，能呈现微米级的精细细节。
• 表面光滑：固化路径连续平滑，成品表面光洁度优异-。
• 速度较慢：逐点扫描导致打印耗时较长。
• 设备昂贵：工业级SLA设备价格在10万-100万元，桌面级入门价约16,800元。
• 尺寸限制少：可打印较大尺寸的样件。
• 典型应用：珠宝设计、精细模具、牙科种植体、高精度工业原型。

2. DLP（数字光处理）

DLP（Digital Light Processing） 于2000年前后问世，基于德州仪器的数字微镜元件（DMD）技术。

• 原理：将影像信号数字化后，通过DMD芯片上的微镜阵列将紫外光以面光投影的形式，一次性照射整个层的截面图案，实现整层固化。
• 特点：
• 打印速度快：采用“面成型”而非“点扫描”，速度远超SLA。
• 精度高、表面光滑：模型精度高，除支撑外几乎无需打磨。
• 设备成本较高：DLP入门价约3,800元-。
• 打印尺寸受限：多为桌面级设备，难以满足大型工业部件需求。
• 光源寿命长：DLP投影仪光源模组寿命可达20,000-50,000小时-。
• 典型应用：齿科模具、珠宝模型、产品开发验证、科研教育。

3. LCD（液晶显示光固化）/ MSLA（掩模立体光固化）

LCD（Liquid Crystal Display） 或称为MSLA（Masked Stereolithography） 是近年来兴起的技术，以DLP技术为基础发展而来。

• 原理：用LCD液晶屏替代DLP的投影光路，紫外光穿过LCD屏幕上选择性透明的像素区域，照射树脂使其固化。原理类似手机屏幕成像。
• 特点：
• 成本极低：LCD入门价仅约800元起，大幅降低了光固化打印的入门门槛。
• 分辨率高：LCD屏幕可实现很高的像素分辨率。
• 光功率较低：仅约10%的光能穿透LCD屏幕，90%被吸收，导致打印速度相对较慢。
• 屏幕寿命有限：LCD屏幕属于消耗品，需定期更换，最新黑白屏理论寿命约2000小时以上。
• 光均匀度略逊：光均匀度约70-85%，低于DLP的92%以上。
• 典型应用：消费级手办模型、个人爱好者、教育入门、低成本原型制作。

三、新兴技术

除上述三大主流技术外，还有若干面向特定需求的新兴光固化技术：

技术	核心特点	应用领域
CLIP（连续液面制造）	利用透氧膜形成“死区”抑制固化，实现连续无分层打印，速度比传统技术快数十至上百倍-	工业级快速生产
MJP（多喷头打印）	采用喷墨式打印头喷射光敏树脂，配合紫外光逐层固化，可多材料同时打印-	精密模具、多材料模型
TPP（双光子聚合）	利用飞秒激光的双光子吸收效应，在焦点处实现纳米级固化，横向线宽可达160nm-	微纳制造、生物医学

这些新技术具有精度高、多材料兼容等优势，但受限于设备体积大、成本高昂等因素，目前主要应用于工业领域--1。

四、SLA / DLP / LCD 核心区别对比

对比维度	SLA	DLP	LCD / MSLA
光源方式	紫外激光逐点扫描	DMD微镜面光投影	LCD液晶屏像素掩膜
固化方式	点固化	面固化	面固化
打印速度	较慢	快	中等
精度/表面质量	极高、最光滑-	高-	分辨率高但光均匀度略逊-
设备成本	高（工业级10万-100万）	中等（入门约3,800元）	低（入门约800元起）
光源寿命	较长	极长（2万-5万小时）	有限（约2000小时）
打印尺寸	限制少，可做大尺寸	多为桌面级，尺寸受限	桌面级为主
材料系统	多为封闭系统	多为开放系统	多为开放系统

五、光固化打印材料

光固化3D打印所用的材料，通常被称为光敏树脂（Photopolymer Resin），它是一种化学成分复杂的高分子混合物。

它不是单一物质，而是一个“配方”，主要由以下四类化学成分构成：

1.     核心骨架：齐聚物 (Oligomer) / 预聚物 (Prepolymer)

·        作用与特点：这是决定打印件最终物理和机械性能（如硬度、柔韧性、耐热性）的核心骨架。它约占树脂总重量的30%-50%。其分子末端含有活性官能团，能在光引发剂作用下发生聚合反应，形成高分子网络。

·        主要类型：

o   环氧丙烯酸酯 (Epoxy Acrylate)：如双酚A环氧丙烯酸酯。固化后硬度高、耐化学性好、附着力强，是制作硬质、高强度部件的常见选择。

o   聚氨酯丙烯酸酯 (Polyurethane Acrylate, PUA)：提供优异的弹性、韧性和抗冲击性，常用于制作类橡胶的柔性或弹性部件。

o   聚酯丙烯酸酯 (Polyester Acrylate)：性能介于上述两者之间，通常兼顾柔韧性和硬度，成本相对较低。

o   其他类型：还包括不饱和二羧酸半酯、丙烯酸树脂等，以及为特定需求开发的低粘性齐聚物。

·        主要供应商：

o   国际巨头：阿科玛 (Arkema)、巴斯夫 (BASF)、赢创 (Evonik)、科思创 (Covestro)、汉高 (Henkel)、IGM Resins。

o   国内领军：润奥化工 (飞凯材料成员)、昊辉新材料、三桐材料、恒之光、八禾新材料、嵩达新材料、光易化工。

o   其他：Bomar（瀚纳瑞化工）。

2.     活性稀释剂 (Reactive Diluent) / 单体 (Monomer)

• 作用与特点：主要作用是调节树脂粘度，改善流动性，同时其自身参与聚合反应，成为固化产物的一部分，并对最终产品的硬度、柔韧性等性能产生重要影响-。
• 主要类型：多为含有丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基等不饱和双键的单体。根据分子中反应性官能团的数量，可分为：
• 单官能团单体：如丙烯酸异冰片酯 (IBOA)、丙烯酰吗啉 (ACMO)。
• 双官能团单体：如二丙烯酸酯类。
• 三官能团及以上单体：如三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯 (TMPTMA)、环三羟甲基丙烷甲缩醛丙烯酸酯 (CTFA)。官能度越高，通常固化速度越快，交联密度越高。
• 主要供应商：
• 国际巨头：阿科玛 (Arkema)、巴斯夫 (BASF)、IGM Resins。
• 国内企业：久日新材、佳化化学、江苏新素新材料、润奥化工、光易化工、力码材料。

 

3.     反应开关：光引发剂 (Photoinitiator)

• 作用与特点：光固化反应的 “开关” 。它吸收特定波长的紫外光（如405nm）后，会分解产生能引发聚合反应的活性碎片（自由基或阳离子）-。含量虽少（约1%-5%），但至关重要。
• 主要类型：
• 自由基型光引发剂：应用最广泛，适用于丙烯酸酯体系。
• 阳离子型光引发剂：适用于环氧树脂体系，具有不受氧阻聚、收缩率低等优点。
• 主要供应商：
• 国际巨头：IGM Resins（全球领先）、巴斯夫 (BASF)。
• 国内领军：久日新材（科创板上市公司，国内光引发剂龙头）、湖北固润科技。

 

4.     功能助剂：各类添加剂 (Additives)

为了获得特定性能或改善打印效果，配方中还会添加少量助剂：

• 增韧剂：提升成品的抗冲击性。
• 流平剂：让液态树脂表面更平整-。
• 消泡剂：减少树脂中的气泡。
• 阻聚剂：防止树脂在储存或打印过程中意外固化。
• 染料/颜料：赋予树脂不同颜色。
• 填料：如陶瓷粉末、玻璃纤维等，用于增强特定性能。

 

上海运河材料提供光固化3D打印中的多种成分：

增韧剂：日本三菱的有机硅核壳结构增韧剂，可以有效提高韧性，耐磨性和抗冲击强度，易分散。

https://www.canalchem.com/products/engineering-plastics/%E6%8A%97%E5%86%B2%E5%87%BB%E6%94%B9%E6%80%A7,%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%A1%91%E6%96%99,pc%E5%90%88%E9%87%91,%E4%B8%89%E8%8F%B1.html