立体光固化 (SLA) 3D 打印指南

SLA 3D 打印利用光源将液态树脂固化成三维物体，方法是将树脂桶或树脂槽暴露在光源下，使其硬化。传统的自上而下式 SLA 3D 打印机的光源位于液态树脂桶的上方。倒置式立体光固化技术由 Formlabs 联合创始人 Max Lobovsky、David Cranor 和 Natan Linder 于 2011 年首次推出，该技术将光源置于树脂槽下方；在最底层的树脂层上绘制部件横截面，随着构建平台升起，液态树脂流到之前固化层的下方，从而回填树脂层。

倒置式立体光固化技术的发明涉及到了数项重要创新，其中包括透明（最终变为柔性）底部树脂槽。这种新型树脂槽设计能够制造出更大的倒置式 SLA 3D 打印机，同时柔性表面减轻了剥离力。

SLA 3D 打印机利用光来固化光敏性热固性材料，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。

在过去十年中，已经开发出了多种新型树脂 3D 打印工艺，主要以其所用光源类型来区分。这些工艺包括：激光驱动立体光固化 (SLA)、数字光处理 (DLP) 或掩模立体光固化（MSLA，也经常与 LCD 3D 打印交替使用）。

无论光源照射方向或光源类型如何，SLA 3D 打印工作流程都非常简单。部件打印完成后，有必要使用酒精或乙醚进行清洗，以去除部件表面多余的液态树脂。然后，根据材料的不同，可能需要执行后固化步骤来完成部件的聚合，帮助其达到最佳材料性能。可进一步采取其他后处理方法，如着色、涂层或电镀，以满足特定应用或美观性需求。

SLA 3D 打印工艺最早出现于 20 世纪 80 年代初，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由 Charles (Chuck) W.Hull 创造，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。首批 SLA 3D 打印机为大型工业系统，价格通常在 10 万美元以上，且需要复杂的基础设施和维护过程。

然而，SLA 3D 打印并不是第一个获得广泛普及的 3D 打印技术。2000 年代末，这些专利陆续到期，小幅面熔融沉积成型 (FDM) 3D 打印机应运而生，扩大了增材制造的应用范围。虽然这种经济实惠的挤压技术引发了广泛采用和认识 3D 打印技术的第一波浪潮，但 FDM 3D 打印机并不能满足各种专业需求。

2015 年，Formlabs 发布了 Form 2，随后推出了更多材料，SLA 3D 打印的普及性不断提高，为各种不同行业中的专业人士提供更多助力。2019 年，Formlabs 通过 Form 3 和 Form 3L SLA 3D 打印机推出了 Low Force Stereolithography (LFS) 技术，该技术使用柔性底部树脂槽大幅降低了从树脂槽底部剥离固化部件时施加在部件上的力。

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。

随着应用的增加，该技术日益流行，并得到广泛认可。如今，立体光固化技术已成为与熔融沉积成型 (FDM) 和选择性激光烧结 (SLS) 齐名的最成熟的三大塑料 3D 打印工艺之一。连续迭代使 Form 系列成为世界领先的专业级树脂 3D 打印机，截至 2024 年已售出 14 万台，打印部件超过 4 亿个。

2024 年，Formlabs 进一步发展功能强大、易于使用的树脂 3D 打印技术，发布了桌面级 Form 4 及其生物相容性版本 Form 4B，以及 Form 4L 和 Form 4BL 大幅面树脂 3D 打印机。最新迭代的 Form 系列树脂 3D 打印机采用了新一代 MSLA 打印引擎，即 Low Force Display™ (LFD)。

高功率桌面级和立式设备的易用性和经济性催生了新的生产模式。各家公司可以逐步扩大 3D 打印产量，将供应链引入公司内部，并在面对不确定的市场条件时提高灵活性和适应性。通过添加新材料，还可以开辟全新应用领域。

LFD 打印引擎的核心是背光模块。超高功率光源使用 LED 灯和准直透镜产生均匀区域投射光。通过透镜阵列，使光线更加准直（平行）均匀，消除了暗点或亮点。

在此处，光线通过 Light Processing Unit (LPU) 4，其中滤波器和掩模使光线变为打印层的形状。在光线照射到树脂槽内的液态树脂后，整个区域变成固态层。然后，构建平台从树脂中升起，精密的 Z 轴将树脂层从树脂槽底部剥离。

过去，剥离力一直是树脂 3D 打印的一大障碍，迫使用户在选择打印机时要么牺牲部件质量和可靠性，要么降低打印速度。Form 4 和 Form 4L 采用重新设计的柔性覆膜层树脂槽和全新的剥离纹理（一种专有微纹理光学覆膜层，可引入气流以防止树脂槽吸附到 LPU 上），最大程度地降低了剥离力。

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）。随后，将数字设计导入打印准备软件来指定打印设置，并将数字模型切片成层以进行打印。Formlabs 的打印准备软件 PreForm 可免费下载，用于创建自动支撑和打印方向。

更高级的用户可能会考虑专门针对 SLA 技术设计模型，或采取挖空部件等步骤以节省材料。

打印准备软件通常通过无线网络连接、USB 或以太网将部件发送到打印机。

倒置式 SLA 打印机使用可拆卸树脂槽和构建平台，便于更换材料和开始新打印。更先进的 SLA 打印机（如 Formlabs 的 Form 系列打印机）还使用树脂盒系统，可在打印过程中自动填充材料。这意味着在快速确认正确设置后，打印过程随即开始，机器可以在无人看管的情况下运行，直到打印完成。

Formlabs SLA 3D 打印机的在线 Dashboard 可用于远程管理打印机、材料和团队。

从构建平台上取下部件后，需要用异丙醇 (IPA) 或乙醚清洗部件，以去除表面未固化的树脂。Formlabs 的 Form Wash 和大幅面 Form Wash L 可简化清洗过程，轻松去除多余树脂，缩短整个后处理时间。

经冲洗的部件干燥后，某些材料还需要进行后固化，这一过程有助于提高部件的强度和性能，并达到最佳的材料性能。Formlabs 的 Form Cure 和大幅面 Form Cure L 可以精确控制温度和光线，提供稳定的高强度固化。

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、涂装和组装，以用于特定应用或进行后处理工序。

一些部件还可以通过打磨、涂层、电镀或介质喷砂等其他步骤进行处理。这些先进树脂 3D 打印后处理方法可以实现多种效果，例如通过紫外线防护使部件更适合户外应用，或通过电镀金属或 Cerakote 等陶瓷溶液来提高部件的机械强度。

当这种速度日复一日、周复一周地叠加时，产量效益就非同一般了。Form 4 和 Form 4L 现在可以与注射成型等高产能技术相媲美。仅需数小时即可完成多次完整成型，每天可多次打印，其产量可与中等产量的注射机相当，而无需高昂的前期模具成本。

SLA 树脂种类繁多，有数百种不同的配方可供选择。可以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，还可兼顾不同的软硬度。材料范围广泛，涵盖特定行业（如义齿）材料，乃至与原型制作的最终材料紧密匹配的材料，这些材料经过配制后，可经受大量测试并在应力下发挥性能。

许多 SLA 打印机制造商也自行配制和生产树脂，供封闭系统使用，但也有一些制造商提供开放平台，可使用任何树脂，还有一些制造商为其他公司的树脂提供白标。

由于这些树脂专为 SLA 3D 打印机配制，因此它们与注射成型等传统塑料制造方法中使用的尼龙或 ABS 等常用热塑性塑料并不完全类似。虽然要了解最适合特定应用的树脂可能需要进行测试并参考数据表和应用指南，但几乎每种应用都有适合的 SLA 树脂，机械和美学性能种类繁多，可轻松创建优化、高效的工作流程。

对于从制造业到牙科的所有行业来说，精度和准确性均至关重要，而 SLA 打印是目前市场上精度最高的 3D 打印解决方案之一。

准确性是指与 CAD 模型尺寸的匹配程度，而精度则是指可重复生产相同尺寸的程度。与机加工的准确性相比，专业级 SLA 3D 打印机的准确性介于标准加工和精细加工之间。不过，不同的树脂 3D 打印机制造商生产的 3D 打印机准确性也不尽相同，这取决于用于固化树脂的光源类型、组件质量以及使这些组件共同发挥作用的工程设计和校准。准确性还取决于材料，刚性材料比柔性材料更精确、更容易打印。

例如，Form 4/B 和 Form 4L/4BL 可以使用高精度材料 Precision Model Resin（精确模型树脂）进行打印，打印的修复模型可在数字模型的 100μm 范围内精准呈现 >99% 的打印表面积。使用 Grey Resin 制造较大的模型（81－150mm 的特征）时，典型的 XY 尺寸公差为 ±0.3%（下限：±0.15mm）。

Formlabs SLA 3D 打印机具有加热且封闭的构建环境，从而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 打印准确性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。

Form 4 和 Form 4L 的 LFD 打印引擎，特别是 LPU 4 中包含的高分辨率液晶显示器和准直镜头，可为每个部件创建超精确的横截面。剥离纹理和柔性覆膜层树脂槽带来的低剥离力使得准确性可重复，从而生产出高精度部件。

可将 SLA 3D 打印机认为是制造具有光滑表面和精细特征部件的黄金标准。树脂 3D 打印部件几乎不需要任何后处理，就能轻松实现与注射成型等传统制造方法相媲美的外观。相反，FDM 3D 打印部件通常有明显的层纹，而 SLS 3D 打印部件的表面通常呈现出颗粒状，略显粗糙。

SLA 3D 打印部件的表面质量使其成品在外观和触感上都与批量生产的消费品无异。还使快速模具制作等二次加工成为可能。

与 FDM 3D 打印机相比，SLA 3D 打印机还能实现更精细的特征和更小的最小特征尺寸，可与 SLS 3D 打印机相媲美。与长丝挤出机相比，树脂 3D 打印机中的光线可以被控制成更精确的形状，因此可以打印出更小的特征或更薄的壁。此外，由于 SLA 光源的功率比 SLS 3D 打印机中熔化粉末所需的激光器低，因此可以更精确地固化，从而实现更小的特征。

由于 3D 打印每次只打印一层，因此在打印完毕后，部件在相关打印过程具有不同的定向，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) 等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。

相反，SLA 树脂 3D 打印机能创建具有高度各向同性的部件。部件各向同性的实现基于诸多因素，可以通过将材料化学与打印流程相结合来严格控制。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。因此，打印出的部件具有可预测的机械性能，这对于夹具和固定装置、成品部件和功能性原型等应用至关重要。

在多个行业中，定制或小批量生产水密和气密部件也备受追捧，如海洋研究、水下机器人、可持续技术工程、石油和天然气行业以及国防。虽然某些 3D 打印技术为这些部件提供了理想的解决方案，但人们对增材制造部件的普遍看法是：无法在加压环境中使用的多孔部件。

但近年来，这一设想已被彻底推翻。SLA 打印机可以制造水密性外壳和完全防水的部件。美国国家海洋与大气管理局 (NOAA) 和罗德岛大学等机构通过采用低成本、高质量的 SLA 3D 打印测试和研究设备，在海洋研究领域取得了惊人进展。

Formlabs 的通用树脂配方具有速度快、一致性好的特点，可用于制作各种应用和行业中的部件。从用于设计审查原型的哑光灰度部件到用于透明模型和模具的 Clear Resin 打印部件，通用树脂都是 SLA 3D 打印的重要材料。Formlabs 为 Form 4 开发的最新通用树脂在速度、机械性能和分辨率方面都达到了新的高度：Fast Model Resin 的打印速度可达每小时 100mm，而 Grey Resin 的抗冲击强度则提高 30%。

Formlabs 工程树脂专为满足工程和制造工作流程中的特定需求而配制，可实现新应用、简化操作和现场测试。这些材料的性能可与 ABS、硅胶或 PEEK 等业界耳熟能详的材料相媲美，甚至更胜一筹。从硬度极高的刚性材料，到可承受冲击的坚固材料，再到可在反复循环中承受弯曲和挠曲的柔性材料。独特的专业材料包括防静电或阻燃树脂，以及以前从未在桌面级 3D 打印中使用过的技术材料，如真正的陶瓷和硅胶 3D 打印。

对于牙科专业人士，Formlabs 生态圈提供了精简的一体化工作流程，保证每次都能生产精确部件，无需调整或校准。无论是拥有多种类型器械的大型实验室和牙科诊所，还是专门从事某些适应症的小型牙科诊所，Form 4B 和牙科树脂库都能为每个人提供解决方案。

对于医疗保健专业人员来说，Formlabs BioMed 树脂属于医用级材料，可广泛应用于对性能和生物相容性要求极高的领域。BioMed 树脂家族材料是在经 ISO 13485 认证的工厂中开发和制造的，并且支持使用常见的消毒和灭菌方法。

Formlabs 珠宝树脂可可靠再现清晰的镶嵌、锋利的爪镶、光滑的柄杆和精细的表面细节。无论是生产定制珠宝的零售商和设计师，还是大规模生产的大型铸造厂，都可以使用它们为客户生产试戴件、即铸定制珠宝或可重复使用的珠宝模具母模。

SLA 3D 打印技术可帮助企业避免外包或机械加工等更复杂的替代方法所带来的高成本和长周转时间。使用 3D 打印技术，无需昂贵的工具和配置； 相同的设备可用于快速生产不同的几何形状。

对于不同类型的专业人士来说，内部 3D 打印的方式可能有所不同。微软或 Rivian 等许多大型企业会选择运营内部服务机构，工程师、设计师和制造团队会向集中的实验室申请部件。而其他企业，尤其是那些以设计和迭代为重点、员工具有较高 CAD 专业技能的企业，则更倾向于采用分散式方法，在每个设计师的办公桌上都配备一台打印机。诸如 Form 4 等方便使用、经济实惠的桌面级机器使这些工作流程类型成为可能，并能为不断变化的员工和办公环境提供灵活的解决方案。

无论是集中式还是分散式，内部 3D 打印都能让员工更好地控制自有工作流程，并降低整个企业的成本和不确定性。

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。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。

为了更轻松地管理多台树脂 3D 打印机，Formlabs 的客户可以使用两个软件平台。Dashboard 是一个免费软件平台，可帮助客户监控打印机并简化管理。在附加功能和高级管理工具方面，Fleet Control（一控多机）利用自动化技术自动分配打印任务，使多台打印机的管理更加高效。