3d печать SLA — основные принципы процесса

  • автор:

В этом введении в 3d печать SLA мы рассмотрим основные принципы технологии. Прочитав эту статью, вы поймете основные принципы процесса SLA. А также какие преимущества имеет 3d печать SLA, какие существуют ограничения.

3d печать SLA - что это

3d печать SLA — что это?

3d печать SLA (стереолитография) — это процесс аддитивного производства, принадлежащий семейству Vat Photopolymerization. В SLA объект создается путем селективного отверждения полимерной смолы слой за слоем с использованием ультрафиолетового (УФ) лазерного луча.

Материалы, используемые в SLA, представляют собой светочувствительные термореактивные полимеры, которые выпускаются в жидкой форме.

3d печать SLA известна как первая технология 3D-печати. И ее запатентовали еще в 1986 году. Если требуются детали с очень высокой точностью или гладкой поверхностью, тогда 3d печать SLA является наиболее экономически эффективной технологией 3D-печати.

Наилучшие результаты достигаются, например. когда дизайнер использует преимущества и недостатки производственного процесса.

3d печать SLA имеет много общих характеристик с Direct Light Processing (DLP), еще одной технологией фотополимеризации 3D Vat. Для простоты обе технологии могут рассматриваться как равные.

3d печать sla - процесс печати

3d печать SLA как процесс печати

Строительная платформа сначала размещается в резервуаре с жидким фотополимером, на расстоянии одного уровня высоты от поверхности жидкости.

Затем УФ-лазер создает следующий слой путем селективного отверждения и отверждения фотополимерной смолы. В результате лазерный луч фокусируется на заданном пути с помощью набора зеркал, называемых гальвосами. Вся площадь поперечного сечения модели сканируется, поэтому полученная деталь полностью цельная.

Когда слой закончен, платформа перемещается на безопасное расстояние. И тогда лезвие подметальной машины повторно покрывает поверхность. Затем процесс повторяется до тех пор, пока часть не будет завершена.

После печати деталь находится в зеленом, не полностью отвержденном состоянии. Обычно она требует дальнейшей постобработки под УФ-светом. Например, это необходимо, если требуются очень высокие механические и термические свойства.

Фотополимеризация

Жидкая смола затвердевает с помощью процесса, называемого фотополимеризацией. Во время затвердевания углеродные цепи мономера, которые составляют жидкую смолу, активируются под воздействием ультрафиолетового лазера и становятся твердыми, создавая прочные неразрывные связи друг с другом.

Процесс фотополимеризации необратим. Но нет способа перевести части SLA обратно в жидкую форму. При нагревании они будут гореть, а не плавиться. Потому что материалы, которые использует 3d печать sla, сделаны из термореактивных полимеров. В отличие от термопластов, которые использует FDM.

Схема 3D-принтера SLA

3d печать sla - характеристики и параметры

3d печать SLA — характеристики и параметры

В системах SLA большинство параметров печати устанавливаются производителем. Поэтому не могут быть изменены. Единственными входными данными являются высота слоя и ориентация детали. И последний определяет местоположение опоры.

Высота типичного слоя в SLA находится в диапазоне от 25 до 100 микрон. Высоты нижнего слоя более точно отражают криволинейную геометрию. Но увеличивают время сборки (и стоимость), а также вероятность неудачной печати. Высота слоя 100 мкм подходит для большинства распространенных применений.

Размер сборки — еще один важный параметр для дизайнера. Поэтому размер сборки зависит от типа машины SLA. 3d печать sla использует две основные настройки: ориентация сверху вниз и ориентация снизу вверх.

В «сверху вниз» принтеры ОАС место лазерного источника над баком и часть встроенной лицевой стороной вверх. Строительная платформа начинается в самом верху чана со смолой и движется вниз после каждого слоя.

3d печать sla - схема снизу вверх

3d печать SLA — схема снизу вверх

3d печать sla — схема «Снизу вверх» принтеры SLA размещают источник света под резервуаром со смолой (см. рисунок выше). И деталь строится вверх ногами. Резервуар имеет прозрачное дно с силиконовым покрытием, которое пропускает свет лазера.

Но препятствует прилипанию отвержденной смолы. После каждого слоя отвержденная смола отделяется от дна резервуара, когда строительная платформа движется вверх. Это называется этапом пилинга.

Схема восходящего SLA-принтера

Ориентация «снизу вверх» в основном используется в настольных принтерах. Например, таких как Formlabs. А «сверху вниз» обычно используется в промышленных системах SLA. Преимущества SLA печати: принтеры SLA «снизу вверх» проще в изготовлении и эксплуатации. Но их размер сборки ограничен. Так как силы, приложенные к детали на этапе отслаивания, могут привести к сбою печати.

С другой стороны, нисходящие принтеры могут масштабироваться до очень больших размеров сборки без большой потери в точности. В результате расширенные возможности этих систем требуют больших затрат.

В следующей таблице приведены основные характеристики и различия двух ориентаций:

SLA 3D-печать 6

Структура поддержки

Структура поддержки SLA

Структура поддержки всегда требуется в SLA. Несущие конструкции печатаются из того же материала, что и деталь. И после печати должны быть удалены вручную. Ориентация детали определяет местоположение и объем поддержки.

Рекомендуется, чтобы деталь была ориентирована так, чтобы визуально критические поверхности не соприкасались с опорными конструкциями.

В восходящем и нисходящем SLA-принтерах поддержка используется по-разному:

3d печать SLA в нисходящих SLA-принтерах требует поддержку аналогично требованиям FDM. Например, они необходимы для точной печати свесов и мостов (критический угол свеса обычно составляет 30 градусов). Деталь может быть ориентирована в любом положении. И они обычно печатаются плоскими, для того чтобы минимизировать количество поддержки и общее количество слоев.

3d печать SLA в восходящих SLA-принтерах еще сложнее. Выступы и мосты по-прежнему необходимо поддерживать. Но минимизация площади поперечного сечения каждого слоя является наиболее важным критерием. Например, силы, приложенные к детали на этапе отслаивания, могут привести к ее отрыву от строительной платформы.

Эти силы пропорциональны площади поперечного сечения каждого слоя. Поэтому детали ориентированы под углом, и уменьшение опоры не является первостепенной задачей.

Удаление опорной конструкции из части SLA

Скручивание

Одной из самых больших проблем, связанных с точностью деталей, изготовленных с помощью SLA, является скручивание. Керлинг похож на деформацию в FDM.

Во время затвердевания/отверждения смола немного сжимается при воздействии источника света принтера. Когда усадка значительна, между новым слоем и ранее затвердевшим материалом возникают большие внутренние напряжения, что приводит к скручиванию детали.

Адгезия слоя

SLA печатные части имеют изотропные механические свойства. Это связано с тем, что одного прохода УФ-лазера недостаточно для полного отверждения жидкой смолы. Более поздние лазерные проходы помогают ранее сильно затвердевшим слоям сплавляться друг с другом.

По факту:

3d печать SLA — отверждение продолжается даже после завершения процесса печати.

Для достижения наилучших механических свойств детали SLA должны подвергаться последующему отверждению путем помещения их в камеру для отверждения под интенсивным ультрафиолетовым излучением. А иногда и при повышенных температурах. Это значительно повышает твердость и термостойкость детали SLA, но делает ее более хрупкой.

Например, образцы для испытаний деталей, напечатанные стандартной прозрачной смолой с использованием настольного принтера SLA, имеют после отверждения почти в 2 раза большую прочность на разрыв (65 МПа по сравнению с 38 МПа). И могут работать под нагрузкой при более высоких температурах (при максимальной температуре 58 ° С).

Оставление детали на солнце также вызовет лечение. Длительное воздействие ультрафиолета оказывает вредное воздействие на физические свойства и внешний вид детали SLA. Они могут скручиваться, становиться очень хрупкими и менять цвет. По этой причине перед нанесением настоятельно рекомендуется нанести спрей прозрачной УФ-акриловой краской.

Общие материалы SLA

Материалы SLA выпускаются в форме жидкой смолы. Цена за литр смолы сильно варьируется — от 50 долларов за стандартный материал до 400 долларов за специальные материалы, такие как литьевая или зубная смола.

Промышленные системы предлагают более широкий спектр материалов, чем настольные SLA-принтеры, которые дают дизайнеру более строгий контроль над механическими свойствами печатной части.

Материалы SLA (термореактивные материалы) являются более хрупкими, чем материалы, изготовленные с использованием FDM или SLS (термопластов). По этой причине детали SLA обычно не используются для функциональных прототипов, которые будут подвергаться значительной нагрузке. Достижения в материалах могут изменить это в ближайшем будущем.

В следующей таблице приведены преимущества и недостатки наиболее часто используемых смол:

Общие материалы SLA

Постобработка SLA

Постобработка SLA

Детали SLA могут быть обработаны в соответствии с очень высокими стандартами с использованием различных методов последующей обработки. Например, таких как шлифовка и полировка, покрытие распылением и обработка минеральным маслом.

3d печать SLA — эмпирические правила

3d печать SLA лучше всего подходит для производства визуальных прототипов с очень гладкой поверхностью и очень мелкими деталями из ряда термореактивных материалов.

Десктопная 3d печать SLA идеально подходит для изготовления небольших («меньше чем кулак») деталей, отлитых под давлением, по доступной цене.

Промышленные 3d печать SLA могжет производить очень большие детали (размером до 1500 x 750 x 500 мм).

3d печать SLA с низким усилием

Эта усовершенствованная 3D-печать SLA резко снижает силы, действующие на детали в процессе печати. Используя гибкий резервуар и линейное освещение для обеспечения невероятного качества поверхности и точности печати.

Более низкие усилия печати позволяют создавать легкие опорные конструкции, которые легко отрываются. В результате этот процесс открывает широкий спектр возможностей для будущей разработки передовых, готовых к производству материалов.

При перевернутой печати SLA возникают силы отслаивания. Которые влияют на 3d печать SLA, когда она отделяется от поверхности резервуара. Поэтому объем печати ограничен, и требуются прочные опорные конструкции.

3D-печать LFS

3D-печать LFS значительно снижает силы, действующие на детали в процессе печати. За счет использования гибкого резервуара и линейного освещения для обеспечения невероятного качества поверхности и точности печати.

Почему стоит выбрать 3d печать SLA?

Инженеры, дизайнеры, производители и многие другие выбирают 3d печать SLA из-за ее прекрасных характеристик. В частности, гладкой поверхности, максимальной точности и точности деталей. А также механических характеристик. Например, таких как изотропия, водонепроницаемость и универсальность материалов.

Изотропия

Поскольку 3d печать SLA создает детали по одному слою за раз, готовые отпечатки могут иметь различную прочность в зависимости от ориентации детали относительно процесса печати, с разными свойствами по осям X, Y и Z.

3d печать SLA на основе экструзии известна своей анизотропией из-за межслойных различий, создаваемых процессом печати. Такие как моделирование методом наплавления (FDM). Эта анизотропия ограничивает полезность FDM для определенных приложений. Или требует дополнительных настроек на стороне геометрии детали для ее компенсации.

Напротив, 3d печать SLA создает детали с высокой изотропностью. Достижение изотропии детали основано на ряде факторов. Которые можно строго контролировать, интегрируя химию материала с процессом печати. Во время печати компоненты смолы образуют ковалентные связи. Но слой за слоем деталь остается в полупрореагированном «зеленом состоянии».

В сыром состоянии смола сохраняет полимеризуемые группы, которые могут образовывать связи между слоями. Придавая детали изотропию и водонепроницаемость при окончательном отверждении. На молекулярном уровне нет разницы между плоскостями X, Y или Z.

В результате получаются детали с предсказуемыми механическими характеристиками. Которые имеют решающее значение для таких приложений, как приспособления и приспособления, детали конечного использования и функциональное прототипирование.

Водонепроницаемость

Печатные объекты SLA являются непрерывными. Независимо от того, создают ли они геометрические формы с твердыми элементами или внутренние каналы. Эта водонепроницаемость важна для инженерных и производственных приложений. Где поток воздуха или жидкости необходимо контролировать и предсказывать.

Инженеры и дизайнеры используют водонепроницаемость принтеров SLA для решения проблем с потоками воздуха и жидкости в автомобилях, биомедицинских исследованиях. А также для проверки конструкции деталей для потребительских товаров. Например, таких как кухонная техника.

Тщательность и точность

Чтобы 3d печать SLA производила точные детали, необходимо строго контролировать несколько факторов.

По сравнению с точностью обработки, 3D-печать SLA находится где-то между стандартной и точной обработкой. 3d печать SLA имеет высочайшую устойчивость к коммерчески доступным технологиям 3D-печати.

Комбинация подогреваемого резервуара для смолы и закрытой рабочей среды обеспечивает практически идентичные условия для каждой печати. Более высокая точность также является функцией более низкой температуры печати по сравнению с технологиями на основе термопластов, которые плавят сырье.

Процесс печати происходит при температуре, близкой к комнатной. Поскольку в стереолитографии вместо тепла используется свет. И печатные детали не страдают от артефактов теплового расширения и сжатия.

Стереолитография с низким усилием (LFS) размещает оптику внутри блока обработки света (LPU), который перемещается в направлении X. Один гальванометр позиционирует лазерный луч в направлении Y. А затем направляет его через складное зеркало и параболическое зеркало, чтобы доставить луч, который всегда перпендикулярен плоскости построения.

Поэтому он всегда движется по прямой линии для обеспечения еще большей точности и обеспечивает единообразие. Поскольку оборудование масштабируется до более крупных размеров. Как, например, SLA-принтер Formlabs большего формата Form 3L. LPU также использует пространственный фильтр для создания четкого, чистого лазерного пятна для большей точности.

Характеристики отдельных материалов также важны для обеспечения надежного и повторяемого процесса печати.

Прекрасные характеристики и гладкая поверхность

3d печать SLA считается золотым стандартом для гладкой поверхности. Ее внешний вид сопоставим с традиционными методами производства. Например, такими как механическая обработка, литье под давлением и экструзия.

Такое качество поверхности идеально подходит для применений, требующих безупречной отделки. А также помогает сократить время последующей обработки. Поскольку детали можно легко шлифовать, полировать и красить.

Например, ведущие компании, такие как Gillette, используют 3D-печать SLA для создания конечных потребительских товаров. Например, таких как 3D-печатные ручки для бритв на своей платформе Razor Maker.

Высота слоя по оси Z обычно используется для определения разрешения 3D-принтера. На 3D-принтерах Formlabs SLA это значение можно отрегулировать в пределах от 25 до 300 микрон, с выбором между скоростью и качеством.

Для сравнения принтеры FDM и SLS обычно печатают слои по оси Z от 100 до 300 микрон. Однако деталь, напечатанная с размером 100 микрон на принтере FDM или SLS, выглядит иначе, чем деталь, напечатанная с размером 100 микрон на принтере SLA.

Отпечатки SLA имеют более гладкую поверхность прямо на принтере. Потому что внешние стенки по периметру прямые. А вновь напечатанный слой взаимодействует с предыдущим слоем, сглаживая эффект лестницы. Отпечатки FDM обычно имеют четко видимые слои. Тогда как SLS имеет зернистую поверхность из спеченного порошка.

Наименьшие возможные детали также намного мельче в SLA. Учитывая размер лазерного пятна 85 микрон на Form 3, по сравнению с 350 микронами на промышленных SLS-принтерах и форсунками 250–800 микрон на машинах FDM.

В то время как детали, напечатанные на 3D-принтере FDM, как правило, имеют видимые линии слоев. И могут показывать неточности вокруг сложных элементов. В результате детали, напечатанные на машинах SLA, имеют острые края, гладкую поверхность и минимальные видимые линии слоев.

Универсальность материалов

Смолы SLA обладают преимуществом широкого диапазона конфигураций рецептур. Материалы могут быть мягкими или твердыми, сильно заполненными вторичными материалами. Например, такими как стекло и керамика.

Или наделены механическими свойствами. Например, такими как высокая температура теплового отклонения или ударопрочность. Диапазон материалов — от отраслевых, таких как зубные протезы, до материалов, которые точно соответствуют готовым материалам для прототипирования. Они разработаны, чтобы выдерживать всесторонние испытания и работать в стрессовых условиях.

В некоторых случаях именно эта комбинация универсальности и функциональности приводит к тому, что компании изначально предлагают 3D-печать из смолы своими силами.

После обнаружения одного приложения, решаемого с помощью определенного функционального материала, обычно незадолго до того, как раскрываются новые возможности, принтер становится инструментом для использования разнообразных возможностей различных материалов.

3D-печать SLA — применение

3D-печать SLA ускоряет инновации и поддерживает предприятия в широком спектре отраслей. Включая машиностроение, производство, стоматологию, здравоохранение, образование, развлечения, ювелирные изделия, аудиологию и многое другое.

Производство

Быстрое создание прототипов с помощью 3D-печати дает инженерам и дизайнерам возможность превращать идеи в реалистичные доказательства концепции, продвигать эти концепции до высокоточных прототипов, которые выглядят и работают как конечные продукты. И направлять продукты через серию этапов проверки к массовому производству.

Инжиниринг и дизайн продукта

Производители автоматизируют производственные процессы и оптимизируют рабочие процессы путем создания прототипов инструментов и непосредственной 3D-печати нестандартных инструментов, пресс-форм и вспомогательных средств производства при гораздо меньших затратах и ​​времени выполнения заказа, чем при традиционном производстве.

Это снижает производственные затраты и снижает количество дефектов. Но повышает качество, ускоряет сборку и максимизирует эффективность труда.

Стоматология

3d печать SLA в цифровой стоматологии снижает риски и неопределенности, связанные с человеческим фактором. Обеспечивая более высокую согласованность и точность на каждом этапе рабочего процесса для улучшения ухода за пациентами.

3d печать SLA может производить широкий спектр высококачественной продукции и бытовой техники по низким ценам на единицу продукции с превосходной подгонкой и воспроизводимостью результатов.

Образование

3D-печать SLA — это многофункциональные инструменты для иммерсивного обучения и передовых исследований. Они могут поощрять творчество и знакомить студентов с технологиями профессионального уровня. Одновременно поддерживая учебные программы STEAM по науке, технике, искусству и дизайну.

Здравоохранение

Доступная по цене настольная 3D-печать SLA профессионального уровня помогает врачам предоставлять лечение и устройства, адаптированные для лучшего обслуживания каждого уникального человека. Открывая двери для высокоэффективных медицинских приложений. Одновременно экономя организациям значительное время и затраты от лаборатории до операционной.

Развлекательная программа

Физические модели высокого разрешения широко используются при лепке, моделировании персонажей и создании реквизита. Детали, напечатанные на 3D-принтере, снимались в покадровых фильмах, видеоиграх, костюмах на заказ и даже в спецэффектах для блокбастеров.

Ювелирные изделия

Профессионалы в ювелирном деле используют САПР и 3D-печать SLA для быстрого создания прототипов дизайнов, подгонки клиентов и производства больших партий готовых к отливке изделий. Цифровые инструменты позволяют создавать последовательные детали с высокой детализацией без утомительной и разнообразной резьбы по воску.

Аудиология

Специалисты по слуху и лаборатории по изготовлению ушных форм используют цифровые рабочие процессы и 3D-печать SLA для более последовательного производства высококачественных ушных изделий на заказ и в больших объемах для таких приложений, как заушные слуховые аппараты, средства защиты слуха, а также затычки для ушей и вкладыши по индивидуальному заказу.

3D-печать SLA — использование внутри компании

Многие компании начинают использовать 3D-печать через аутсорсинг в сервисные бюро или лаборатории. Аутсорсинг производства может быть отличным решением, когда командам требуется 3D-печать только изредка или для разовых работ, требующих уникальных свойств материалов или приложений.

Бюро обслуживания также могут предоставить консультации по различным материалам и предложить дополнительные услуги. Например, такие как дизайн или современная отделка.

Основными недостатками аутсорсинга являются стоимость и время выполнения заказа. Часто аутсорсинг — это путь к созданию собственного производства по мере роста потребностей.

Одним из самых больших преимуществ 3D-печать SLA является ее скорость по сравнению с традиционными методами производства. Которая быстро уменьшается, когда доставка детали, переданной на аутсорсинг, занимает несколько дней или даже недель. С ростом спроса и производства аутсорсинг также быстро становится дорогим.

Из-за роста доступной 3D-печати промышленного качества сегодня все больше и больше компаний предпочитают сразу же использовать 3D-печать внутри компании. Вертикально интегрируясь в существующие магазины или лаборатории. Или в рабочие места инженеров, дизайнеров и других лиц, которые могут извлекают выгоду из перевода цифровых дизайнов в физические детали или участвуют в мелкосерийном производстве.

Малогабаритные настольные 3D-принтеры SLA отлично подходят, когда вам нужны детали быстро. В зависимости от количества деталей и объема печати вложения в 3D-печать SLA малого формата могут окупиться в течение нескольких месяцев.

Кроме того, с машинами малого формата можно оплачивать столько же мощности, сколько требуется бизнесу. И масштабировать производство, добавляя дополнительные устройства по мере роста спроса.

Использование нескольких 3D-принтеров также дает возможность одновременно печатать детали из разных материалов. Сервисные бюро могут дополнить этот гибкий рабочий процесс для более крупных деталей или нетрадиционных материалов.

Быстрые сроки выполнения и быстрые изменения конструкции

Быстрое время выполнения заказа — огромное преимущество для владения настольным 3D-принтером. При работе с типографским бюро сроки, коммуникация и доставка создают задержки.

В настольном 3D-принтере, таком как Form 3, детали готовы к работе в течение нескольких часов. Что позволяет дизайнерам и инженерам печатать несколько деталей за один день. Помогая выполнять итерации быстрее и значительно сокращая время разработки продукта. А также быстро тестировать механизмы и сборки, избегая дорогостоящих смен инструментов.

Экономия на издержках

Владение настольным 3D-принтером дает значительную экономию по сравнению с сервисными службами 3D-печати и традиционной обработкой, поскольку эти альтернативы быстро становятся дорогими из-за растущего спроса и производства.

Например, чтобы уложиться в сжатые сроки производства, инженер-технолог и команда Pankl Racing Systems внедрили 3D-печать SLA для изготовления нестандартных приспособлений и других деталей небольшого объема непосредственно для своей производственной линии.

Соглашение об уровне обслуживания оказалось идеальной заменой обработке различных инструментов. Хотя изначально оно было встречено скептически. В одном случае это сократило время выполнения заказа на приспособления на 90 процентов. С двух-трех недель до менее суток. И снизило затраты на 80-90 процентов.

Масштабируйте по мере роста

Используя машины малого формата, можно оплачивать столько же мощности, сколько требуется бизнесу. И масштабировать производство, добавляя дополнительные единицы по мере роста спроса. Использование нескольких 3D-принтеров также дает возможность одновременно печатать детали из разных материалов.

Все новости в наших группах: вконтакте, twitter, facebook