光固化3D打印到底有多少种？它们有什么区别

图1 · 光固化的三类曝光机制及各自包含的工艺

一、共同的基础：一套原理，三类曝光机制

这些做法共享同一套化学基础：固化本身是一场光引发的链式聚合，紫外光照射下，光引发剂分解并产生自由基，树脂中的不饱和双键被打开，单体与低聚物连成三维网络。光照射到哪里，哪里才固化——这就是所有光固化工艺共同的选择性来源。如果浆料（slurry）中掺入陶瓷粉，这条路线即光固化陶瓷3D打印，坯体（green body）再经脱脂（debinding）与烧结（sintering）成为陶瓷件。

难点来自粉体本身。颗粒会反射、散射并吸收紫外光，光在浆料中向下传播时不断衰减，能固化的深度因此有限。固化深度遵循 Beer-Lambert 关系：Cd = Dp·ln(E/Ec)，Cd 为固化深度，Dp 为衰减长度，E 与 Ec 分别是曝光强度与恰好能固化浆料的曝光强度；固化深度至少要达到层厚的 10% 至 35%，否则层与层之间结合不牢，会出现打印分层^[1]。

图2 · 光固化的物理基础：(a) 粉体颗粒对紫外光的吸收、反射与散射，光在浆料中一路衰减，能固化的区域因此存在深度上限；(b) 光引发剂、单体与低聚物在紫外光下连成网络，液态浆料转变为固态坯体

按光的照射方式划分，它们归入三类机制——激光逐点扫描、整层图像投影，以及在激光焦点处引发双光子聚合。有正式名称的做法有十来个，但机制只有这三条；综述归纳的 SLA、DLP、LCD 与 TPP 都落在其中^[1]。陶瓷成形中应用最广的是前两类，也就是 SLA 与 DLP。

图3 · 三种光固化方式的曝光路径对照：(a) SLA 由激光逐点扫描；(b) DLP 由数字微镜器件把整层图像一次投影到成形面；(c) TPP 用飞秒激光在焦点处引发双光子聚合，用于微纳结构

二、四代谱系：从点扫到体打印

机制之外，还可按出现先后排出一条线。第一代 SLA 用扫描激光逐点固化；第二代 DLP 把整层截面做成一张图，一次投影成形；第三代 CDLP 取消层间的离型与抬升，让固化连续进行；第四代 VAM 叠加多组光学投影，让整个物体一次成形。四代逐步演进而来，不是替代关系；双光子聚合是另一条路线，不在这条序列里^[2]。

图4 · 光固化工艺的世代谱系：第一代 SLA 以扫描激光逐点固化，第二代 DLP 把整层截面做成一张图一次投影成形，第三代 CDLP 取消层间停顿实现连续成形，第四代 VAM 叠加多组光学投影让物体一次成形；下方三栏分别是多材料、混合成形与多尺度三条扩展方向

四代共用同一套浆料化学与后处理流程，不同在于各自解决什么问题，适用材料也不同。SLA 与 DLP 都是一层一层成形，区别主要在曝光方式；CDLP 取消了每层之间的停顿，成形速度大幅提高，但它需要透氧窗口，目前主要用于树脂与弹性体；VAM 则不再分层，整个零件一次成形，目前集中在光敏树脂与水凝胶^[2]。

三、SLA：用一束激光逐点扫描成形

SLA（stereolithography，立体光刻）是最早出现的工艺。它用一束紫外激光，由计算机控制振镜扫描，在浆料表面逐点照射，从点到线、从线到面，固化出一层。一层完成后，成形平台下降一个层厚，刮刀刮平，再扫下一层，反复直到零件打印完成。

成形单元是激光光斑，光斑可以做得很小，固化区域完全由扫描路径决定，因此精度高、尺寸稳、表面光洁；但速率慢、效率不高，打印氧化铝参考球形结构的耗时相当长。综述给出的分辨率区间为 25 至 50 μm，对环境较敏感，幅面受限^[1]。

四、DLP：把整层视作一张图像一次曝光

DLP（digital light processing，数字光处理）换了一种曝光方式：不再逐点扫描，而是把整层截面视作一张图像，一次投影到成形面上，整层同时固化。模型先被切片，再逐层投影成形，每一层的投影内容都来自切片数据，无需逐点规划路径。

核心器件是数字微镜器件（digital micromirror device，DMD），由数千个微镜组成，横跨截面的投影区域：亮处微镜把光反射到浆料，暗处光被挡住，由此一次固化整个截面。结果是：一层的固化时间与截面大小几乎无关——一个小齿轮，还是铺满幅面的一排零件，都只需曝光一次。

这种并行方式让 DLP 兼顾分辨率与效率。综述给出的分辨率区间为 10 至 50 μm，细节好、速度快；限制在于幅面与树脂成本。幅面受限的原因是：紫外投影面积增大时，特征分辨率会随之下降——DMD 的微镜总数固定，幅面一大，单个微镜覆盖的尺寸就随之变大^[1]。

五、面曝的两条支线：LCD 与 PµSL

面曝这条支线上还有两种做法。LCD 与 DLP 类似，把微镜换成液晶屏做掩膜，成本更低、速度也快，在成本敏感的设备里更常见；但光源均匀性较差，边缘易固化不足，影响精度；综述给出的分辨率区间为 40 至 50 μm，屏幕本身也有使用寿命^[1]。

另一种是面曝的微缩版，即投影微立体光刻（projection micro stereolithography，PµSL）。按综述的界定，DLP 把光学调整为微米级体素时即称 PµSL——同一套投影逻辑，把成形单元压到微米量级，换取更细的细节^[2]。

图5 · 微尺度成形的一个实例：(a) 超薄陶瓷贴面的设计模型与就位示意；(b) 打印并烧结后的两片贴面置于条纹背景前，透过贴面可见的条纹清晰程度用于对照透光性；(c) 左右两件样品表面的尺寸偏差分布，偏差以色阶表示并标注具体数值

微尺度上也有实例：已有研究用 PµSL 打印出厚度约 80 μm 的氧化锆贴面，随后以等静压辅助致密化压合残余气孔，抗弯强度测到 951 MPa 量级，显气孔率降到 0.023% 量级。图5 的尺寸偏差分布显示，打印件与设计模型的偏差主要落在 20 μm 以内^[3]。

六、各条路线上的极限：速度、尺度与层数

速度上走得最远的是第三代的 CDLP（continuous digital light processing，连续数字光处理）。它最初以连续液面制造的形式出现，在料槽底部设透氧窗口，让氧气扩散进浆料，形成聚合被抑制的死区。有这层死区，零件不必每层离型与抬升，可连续拉出；综述给出的对照是，原本用 SLA 或 DLP 耗时较长的零件，CDLP 用时更短^[2]。

在综述的对比中，精度最高的是 TPP（two-photon polymerization，双光子聚合），即三类机制中的双光子。它采用飞秒激光，让材料在焦点处同时吸收两个光子达到激发态并聚合；双光子吸收是非线性过程，只在焦点光强足够高时发生，由此实现亚微米量级的分辨率^[1]。它不需要支撑，代价是速度慢、设备昂贵与技术复杂度高，主要在光刻胶与聚合物上打印微纳结构。

不再分层的是 VAM（volumetric additive manufacturing，体积增材制造）。它用多组叠加的光学投影，让物体在整个体积内同时固化，代表性做法是基于断层重建的计算轴向光刻^[2]。三个极限分属不同的路线：CDLP 与 VAM 出自面曝，TPP 出自双光子，各自对应一个量——速度、分层与尺度。

七、零件层面：点阵结构与陶瓷型芯

在零件层面，光固化最直接的价值是复杂形状。空心点阵与实心点阵、八边形与菱形多孔支架、功能梯度结构，以及仿生的花瓣与树蛙趾结构，这些形状用传统模具难以兼顾精度与复杂度，在光固化下却可以直接成形，省去了开模与拼装的环节^[1]。陶瓷型芯是另一类典型应用，它是熔模铸造叶片内部冷却通道的模具，形状复杂、孔隙率需要可控，传统做法难以在一次成形中兼顾这些要求。

图6 · 光固化可以做出的复杂氧化铝结构：(a) 两类点阵结构，空心与实心，旁附钢尺作尺度对照；(b) 八边形与菱形两类多孔支架的建模过程，先由几何图案经布尔运算得到晶胞，再阵列成整体；(c) 功能梯度结构的模型；(d) 仿生花瓣、树蛙趾，以及蜂窝状与球状多孔构型

图7 · 奇遇科技 DLP 成形的部分复杂陶瓷结构（左上起）：氧化铝多孔板、氧化锆 TPMS 点阵、氮化硅方孔点阵、硅磷酸钙点阵

图8 · 奇遇科技 DLP 成形的氧化铝陶瓷型芯

结语

这些做法可以概括为一句：共用同一套化学原理与后处理流程。分岔点只有一个：光以什么方式、什么速度，作用在什么尺度上。SLA 逐点扫，DLP 整层曝光。LCD 与 PµSL 是面曝的两条支线。CDLP 取消了层间停顿，VAM 则取消了分层。TPP 在焦点处把尺度压到亚微米。

这套原理推到今天，还有两个问题没有答案。一是幅面继续增大后，散射强的浆料会带来新约束。怎样才能兼顾像素级精度与整层均匀性，目前没有通用解。二是微米级的分辨能力能否从薄壁小件走向有厚度的功能件。分辨率、可打印厚度与固含量之间的权衡，仍需要逐项实验来划定边界。这也是光固化陶瓷3D打印接下来最值得关注的地方。