SLA (стереолитография) — руководство по 3D-печати

  • автор:

SLA (Stereolithography Apparatus, Stereolithography, стереолитография) — эта технология 3D-печати фотополимеризация в ванне. Благодаря своей способности производить высокоточные, изотропные и водонепроницаемые прототипы и детали из ряда современных материалов с прекрасными характеристиками и гладкой поверхностью.

В этом всеобъемлющем руководстве 2019 года вы узнаете, как работают технологии SLA-печати. Почему тысячи специалистов используют этот процесс сегодня. И что вам нужно знать, чтобы узнать, как этот процесс 3D-печати может принести пользу вашей работе.

Введение в SLA (стереолитография)

Достижения в 3D-печати продолжают менять подходы предприятий к созданию прототипов и производству. Технология становится все более доступной и доступной.

А оборудование и материалы совершенствуются, чтобы соответствовать рыночным возможностям и требованиям. Дизайнеры, инженеры интегрируют 3D-печать в рабочие процессы на всех этапах разработки.

В разных отраслях 3D-печать помогает профессионалам сократить расходы на аутсорсинг. Но также ускорить процесс, оптимизировать производственные процессы. И даже открыть совершенно новые бизнес-модели.

В частности, стереолитография претерпела значительные изменения. Например, традиционно машины были монолитными и дорогостоящими. В итоге это требовало квалифицированных специалистов и дорогостоящих контрактов на обслуживание.

Сегодня настольные принтеры малого формата производят продукцию промышленного качества. По значительно более доступным ценам и с непревзойденной универсальностью.

Что такое SLA (стереолитография) 3D-печать

Что такое стереолитография

Стереолитография принадлежит к семейству технологий аддитивного производства, известных как фотополимеризация в ванне. Все эти машины построены по одному и тому же принципу. С использованием источника света — лазера или проектора. Для отверждения жидкой смолы в затвердевший пластик.

Основное физическое отличие заключается в расположении основных компонентов. Например, таких как источник света, строительная платформа и резервуар со смолой.

В 3D-принтерах SLA (стереолитография) используются светореактивные термореактивные материалы, называемые смолой. Смолы SLA подвергаются воздействию определенных длин волн света. В результате короткие молекулярные цепи объединяются, полимеризуя мономеры и олигомеры в твердую или гибкую геометрию.

Детали SLA имеют высочайшее разрешение и точность. А также самые четкие детали и самую гладкую поверхность из всех технологий 3D-печати. Но главное преимущество стереолитографии заключается в ее универсальности.

Производители материалов создали инновационные составы смол SLA с широким спектром оптических, механических и термических свойств. Которые соответствуют свойствам стандартных, технических и промышленных термопластов.

Рабочий процесс SLA (стереолитография) 3D-печати

  1. Дизайн

Используйте любое программное обеспечение САПР. Или данные 3D-сканирования для разработки своей модели. И экспортируйте их в формат файла 3D-печати (STL или OBJ).

Каждый принтер SLA включает в себя программное обеспечение для задания параметров печати и разбиения цифровой модели на слои для печати. После завершения настройки программное обеспечение для подготовки к печати отправляет инструкции на принтер через беспроводное или кабельное соединение.

  1. Печать

После быстрого подтверждения правильности настройки начинается процесс печати. Аппарат может работать без присмотра до завершения печати. В принтерах с системой картриджей материал автоматически заправляется машиной.

  1. Пост-процесс

После завершения печати детали требуют промывки изопропиловым спиртом (IPA). Чтобы удалить любую неотвержденную смолу с их поверхности.

После того, как промытые детали высохли, некоторые материалы требуют последующего отверждения. Т.е. процесса, который помогает деталям достичь максимально возможной прочности и стабильности.

Наконец, удалите опоры из частей и отшлифуйте оставшиеся опорные метки для чистой отделки. Детали SLA могут быть легко обработаны, загрунтованы, окрашены и собраны для специальных применений или отделки.

Постотверждение особенно важно для функциональных смол для машиностроения. И обязательно для некоторых стоматологических и ювелирных материалов и применений.

Краткая история SLA (Stereolithography)

Процесс SLA впервые появился в начале 1970-х годов. Тогда японский исследователь д-р Хидэо Кодама изобрел современный многоуровневый подход к стереолитографии. Используя ультрафиолетовый свет для отверждения светочувствительных полимеров.

Но термин стереолитография был придуман Чарльзом (Чаком) В. Халлом. Который запатентовал технологию в 1986 году и основал компанию 3D-Systems.

Халл описал метод как создание трехмерных объектов путем последовательной «печати» тонких слоев материала, отверждаемого ультрафиолетовым светом.

Однако 3D-печать SLA не была первой технологией 3D-печати, получившей широкую популярность. В конце 2000-х годов истек срок действия патентов.

Внедрение настольной 3D-печати малого формата расширило доступ к аддитивному производству. А моделирование методом слитого осаждения (FDM) впервые получило распространение на настольных платформах.

Машины FDM не удовлетворяли спектру профессиональных потребностей.  Хотя эта доступная технология на основе экструзии вызвала первую волну широкого распространения и понимания 3D-печати.

Повторяющиеся, высокоточные результаты имеют решающее значение для профессионального применения. Как и биосовместимые материалы в стоматологии. Например, способность создавать прекрасные функции для таких отраслей, как ювелирные изделия. И приложений, таких как миллифлюидика.

Desktop SLA разрушает рынок

Formlabs адаптировала эту технологию в 2011 году. В итоге стереолитография последовала за FDM на настольные ПК. Малый формат SLA принес ожидание 3D-печати с высоким разрешением.

Которая ранее ограничивалась монолитными промышленными системами. Но в гораздо меньшей и более доступной установке с широким спектром печатных материалов.

Эти возможности расширили доступ к 3D-печати для различных нестандартных и высокоточных приложений в различных дисциплинах. Например, машиностроение, проектирование и производство. А также в стоматологической, ювелирной и других отраслях.

SLA стереолитография с низкой силой печати (LFS)

Formlabs Form 3 и Form 3L построены на основе технологии 3D-печати с применением стереолитографии с низкой силой, усовершенствованной формы SLA

SLA: стереолитография с низкой силой печати

Технология Low Force Stereolithography (LFS) — это следующий этап 3D-печати SLA. Он отвечает требованиям современного рынка в отношении масштабируемой, надежной 3D-печати промышленного качества.

Эта усовершенствованная форма SLA значительно снижает усилия, прилагаемые к деталям во время процесса печати. Это происходит благодаря использованию гибкого резервуара. А также линейного освещения для обеспечения невероятного качества поверхности и точности печати.

Снижение усилия печати обеспечивает легкое касание несущих конструкций. Которые легко отрываются. В итоге процесс открывает широкий спектр возможностей для будущей разработки современных, готовых к производству материалов.

Перевернутый SLA создает силы отслаивания. Они влияют на отпечаток при его отделении от поверхности резервуара. В результате, объем сборки ограничен и требуются прочные опорные конструкции.

Почему выбирают SLA 3D-печать?

За что инженеры, дизайнеры, производители и многие другие выбирают 3D-печать SLA? За ее прекрасные характеристики, гладкую поверхность, высочайшую точность и точность деталей. Но также такие механические характеристики, как изотропность, водонепроницаемость и универсальность материала.

Изотропия

Изотропия

Прочность готовых отпечатков может варьироваться. В зависимости от ориентации детали относительно процесса печати с разными свойствами по осям X, Y и Z. Поскольку 3D-печать создает детали по одному слою за раз.

Процессы печати, такие как моделирование с наплавкой (FDM), известны как анизотропные. Из-за различий между слоями, созданных процессом печати. Эта анизотропия ограничивает полезность FDM для определенных приложений. Или требует дополнительных настроек на стороне геометрии детали, чтобы компенсировать это.

Напротив, печать SLA создает высокоизотропные части. Достижение изотропии деталей основано на ряде факторов. Которыми можно жестко управлять, интегрируя химию материала с процессом печати. Например, во время печати компоненты смолы образуют ковалентные связи. Но слой за слоем деталь остается в полуреагировавшем «зеленом состоянии».

Находясь в зеленом состоянии, смола сохраняет полимеризуемые группы. Которые могут образовывать связи между слоями. Придавая частице изотропность и водонепроницаемость после окончательного отверждения.

На молекулярном уровне нет никакой разницы между плоскостями X, Y или Z. В результате это приводит к деталям с предсказуемыми механическими характеристиками. Необходимыми для таких применений, как оснастка и крепеж, детали для конечного использования и функциональное прототипирование.

Печатные детали SLA обладают высокой изотропностью по сравнению с деталями, полученными с помощью моделирования методом наплавки (FDM).

Так как они изотропны, детали с печатным рисунком SLA могут противостоять различным силам направленности. Которые они испытывают во время производственных операций с высокой нагрузкой.

Водонепроницаемость

Печатные детали SLA являются непрерывными. Независимо от того, производят ли они геометрию с твердыми элементами или внутренние каналы. Эта водонепроницаемость важна для инженерных и производственных применений. Например, там, где поток воздуха или жидкости должен контролироваться и прогнозироваться. Для автомобильной промышленности, биомедицинских исследований. А также для проверки конструкций деталей для потребительских товаров. Например, таких как кухонные приборы.

Тщательность и точность

Необходимо строго контролировать множество факторов. Чтобы процесс печати производил точные и точные детали.

По сравнению с обработанной точностью, печать SLA 3D находится где-то между стандартной обработкой и точной обработкой. SLA имеет высочайший допуск среди доступных на рынке технологий 3D-печати.

Комбинация нагретого резервуара для смолы и закрытой среды сборки обеспечивает практически одинаковые условия для каждого отпечатка. Но более высокая точность также зависит от более низкой температуры печати. По сравнению с технологиями на основе термопластика, которые расплавляют сырье.

Процесс печати происходит при температуре, близкой к комнатной. Поскольку в стереолитографии используется свет, а не тепло. И на отпечатанных деталях не возникают термические расширения и артефакты сжатия.

Стереолитография с низкой силой (LFS) 3D-печати размещает оптику внутри блока обработки света (LPU), который перемещается в направлении X. Один гальванометр позиционирует лазерный луч в направлении Y.

Затем направляет его вдоль зеркала сгиба и параболического зеркала для подачи луча, который всегда перпендикулярен плоскости сборки. Поэтому он всегда движется по прямой линии, чтобы обеспечить еще большую точность.

В итоге обеспечивается единообразие при масштабировании аппаратного обеспечения до больших размеров. Например, таких как принтер SLA большого формата Formlabs 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 воспроизводимого процесса печати.

SLA - прекрасные характеристики и гладкая поверхность

SLA — прекрасные характеристики и гладкая поверхность

SLA-печать считается золотым стандартом для гладкой поверхности с внешним видом. Сравнимым 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 отшлифовать, отполировать и покрасить.

Например, ведущие компании, такие как Gillette, используют 3D-печать SLA для создания конечных потребительских товаров. Таких как рукоятки бритвенных приборов на своей платформе Razor Maker.

Высота слоя по оси Z обычно используется для определения разрешения 3D-принтера. На 3D-принтерах Formlabs SLA его можно регулировать в диапазоне от 25 до 300 микрон с компромиссом между скоростью и качеством.

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

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

Наименьшая возможная детализация также гораздо более тонкая на SLA.

Универсальность материала

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

Или наполненными механическими свойствами. Такими как высокая температура отклонения тепла или ударопрочность. Диапазон материалов от отраслевых, таких как зубные протезы, до материалов, которые точно соответствуют конечным материалам для прототипирования. Они разработаны для того, чтобы выдерживать обширные испытания. И работать в условиях стресса.

В некоторых случаях именно эта комбинация универсальности и функциональности приводит к тому, что компании изначально внедряют стереолитографию.

Стереолитография ускоряет инновации и поддерживает предприятия в широком спектре отраслей. Например, машиностроение, производство, стоматологию, здравоохранение, образование, развлечения, ювелирные изделия, аудиологию и многое другое.

Внедрение SLA 3D-печати внутри компании

Многие компании начинают использовать 3D-печать через аутсорсинг в сервисных бюро или лабораториях. Аутсорсинговое производство может быть отличным решением, когда командам требуется 3D-печать только изредка, или для одноразовых.

Которые требуют уникальных свойств материала или приложений. Сервисные бюро также могут предоставлять консультации по различным материалам. А также предлагать дополнительные услуги. Например, такие как дизайн или продвинутая отделка.

Основными недостатками аутсорсинга являются стоимость и время выполнения заказа. Часто аутсорсинг является воротами для обеспечения собственного производства по мере роста потребностей.

Одним из величайших преимуществ 3D-печати является ее скорость по сравнению с традиционными методами производства. Которая быстро уменьшается, когда на поставку на аутсорсинг уходит несколько дней или даже недель. С ростом спроса и производства аутсорсинг также быстро становится дорогим.

Сегодня все больше и больше компаний предпочитают внедрять 3D-печать непосредственно на месте. В связи с ростом доступности 3D-печати промышленного качества. Вертикально интегрируя их в существующие магазины или лаборатории.

Или в рабочие пространства инженеров, дизайнеров и других, кто мог извлекать выгоду из перевода цифровых конструкций в физические части. Или, например, тех, кто участвует в мелкосерийном производстве.

Настольные 3D-принтеры небольшого формата отлично подходят для быстрой обработки деталей. Инвестиции в 3D-принтер малого формата могут окупиться даже в течение нескольких месяцев. В зависимости от количества деталей и объема печати.

Кроме того, с небольшими форматными машинами можно платить столько же, сколько нужно бизнесу. И масштабировать производство. Добавляя дополнительные единицы по мере роста спроса.

Использование нескольких 3D-принтеров также создает гибкость для одновременной печати деталей из разных материалов. В результате, сервисные бюро могут по-прежнему дополнять этот гибкий рабочий процесс для крупных деталей. Или нетрадиционных материалов.

Быстрое время выполнения и быстрые изменения дизайна

Быстрое время выполнения заказа является огромным преимуществом для обладателя настольного 3D-принтера. Например, при работе с типографией, связь и доставка создают задержки.

На настольном 3D-принтере детали производятся в течение нескольких часов. В результате, дизайнеры и инженеры печатают несколько деталей за один день. В итоге помогая быстрее выполнять итерации. И значительно сократить время разработки продукта. А также быстро тестировать механизмы и сборки, избегая дорогостоящих замен инструментов.

Экономия затрат

Владение настольным 3D-принтером приводит к значительной экономии по сравнению с сервисными бюро 3D-печати и традиционной механической обработкой. Поскольку эти альтернативы быстро становятся дорогими с ростом спроса и производства.

Масштаб по мере роста

На машинах малого формата можно тратить столько же, сколько необходимо бизнесу. Но и масштабировать производство. Добавляя дополнительные устройства по мере роста спроса. Например, использование нескольких 3D-принтеров также создает гибкость для одновременной печати деталей из разных материалов.

Сравнение лазерных 3D-принтеров SLA, DLP-SLA и MSLA для цифровой ортодонтии.

Существует три основных категории процессов стереолитографии:

— лазерная стереолитография,

— стереолитография с цифровой обработкой света (DLP-SLA),

— стереолитография с маской (MSLA).

Для всех этих процессов чан с фотореактивной жидкой смолой выборочно подвергается воздействию света, чтобы сформировать очень тонкие твердые слои, которые складываются в один твердый объект.

Стереолитография, DLP-SLA и MSLA на основе лазера могут давать существенно разные результаты. Несмотря на то, что они представляют собой все типы стереолитографии и используют схожую технологию.

Понимание тонкой разницы, связанной с каждым процессом 3D-печати, поможет вам узнать:

— чего ожидать от ваших окончательных сборок,

— как лучше спроектировать производственные процессы,

— максимально использовать потенциал каждого типа машины,

— принимать более обоснованные решения о покупке.

Давайте углубимся в то, что именно это означает.

Стереолитография на основе лазера

Технология  работает с использованием УФ-лазера для рисования каждого слоя объекта и использует два зеркала с приводом от двигателя, известные как гальванометры или гальвоты (одно по оси X, а другое по оси Y), для быстрого наведения лазерного луча через область печати, затвердевая смолу по мере продвижения.

Чтобы создать твердый объект, дизайн должен быть разбит, слой за слоем, на серию точек и линий, которые передаются «гальваникам» в виде набора координат, и лазер отслеживает их.

DLP-SLA

DLP-SLA использует цифровой проектор для одновременного отображения одного изображения каждого слоя на всей платформе. Поскольку изображение каждого слоя отображается в цифровом виде, оно состоит из множества квадратных пикселей. В результате чего слой образован небольшими прямоугольными блоками, называемыми вокселями, которые складываются вдоль оси Z.

MSLA

MSLA использует светодиодную матрицу в качестве источника света вместе с ЖК-фотомаской для формирования светового изображения от светодиодной матрицы. Как и DLP, ЖК-фотошаблон отображается в цифровом виде и состоит из квадратных пикселей.

Размер пикселя варьируется в зависимости от способа изготовления фотошаблона ЖКД. А отдельные пиксели на ЖКД деактивируются, чтобы свет светодиода мог проходить сквозь него и формировать результирующий слой.

Таким образом, точность XY фиксирована. И не зависит от того, насколько хорошо вы можете масштабировать объектив, как в случае с DLP.

Стереолитография против DLP против форм MSLA

Слои, нарисованные лазером, и слои, построенные с помощью вокселей, сильно различаются. Поэтому трудно сравнивать SLA для лазера с DLP-SLA и MSLA только по числовым характеристикам. Но вы можете начать понимать небольшие различия в конечных продуктах.

Размер и скорость печати с лазерной стереолитографией, DLP-SLA и MSLA

Как DLP-SLA, так и MSLA могут обеспечить значительно более быстрое время печати, чем лазерное SLA. Поскольку каждый слой полностью экспонируется сразу, а не растягивается лазером.

Эта повышенная скорость наиболее заметна в  стилях 3D-печати, которые допускают непрерывную световую экспозицию. А также при создании определенных видов объектов. Выдавливание стоматологических моделей с помощью принтеров DLP-SLA и MSLA экономит материал. Но не оказывает значимого влияния на время печати.

Для больших, полностью плотных отпечатков, когда печать будет занимать большую часть платформы, каждый слой экспонируется значительно быстрее с помощью DLP-SLA или MSLA, чем если бы он был распечатан лазером. Кроме того, при печати очень маленьких и детализированных объектов, когда лазеру потребуется много времени для перемещения по всем координатам, DLP-SLA и MSLA также могут строить быстрее.

Скорость отдельного принтера становится практически неактуальной при масштабной эксплуатации фермы 3D-печати для цифровой ортодонтии. Хотя DLP-SLA и MSLA могут создавать значительно быстрее. Емкость и избыточность более важны.

Компромисс между разрешением и качеством поверхности

Кроме того, как DLP-SLA, так и MSLA могут предлагать компромисс между разрешением и качеством поверхности при использовании определенных типов отпечатков.

Разрешение DLP-SLA зависит от качества проектора, которое определяет количество доступных пикселей/вокселей. Например, Full HD — это 1080p. Источник света от проектора должен быть сфокусирован на размер изображения, чтобы достичь заданного разрешения XY для каждого слоя на платформе сборки.

Это может стать проблемой при совместной печати множества детализированных объектов с использованием небольших вокселей. Проектор имеет только установленное количество пикселей. Поэтому для печати с максимальной детализацией проецируемое изображение необходимо уменьшить.

Этим можно управлять с помощью различных средств оптической коррекции. Но, как правило, более мелкая детализация на принтере DLP-SLA лучше всего достигается за счет использования части общей площади сборки. А большие отпечатки можно создавать только при самом грубом разрешении для проектора.

При использовании MSLA размер пикселя ЖК-фотошаблона устанавливается в зависимости от способа его изготовления. Поэтому отдельные пиксели можно включать или выключать только для блокировки света от светодиодной матрицы.

Их нельзя уменьшить для получения более мелких деталей и отделки поверхности небольших отдельных объектов. А свет от светодиодной матрицы не может подвергаться какой-либо оптической коррекции без линзы. ЖК-блоки, которые маскируют светодиодный свет, намного дешевле, чем DLP-проекторы. Это может быть выгодно. Но такая экономия не всегда передается потребителю.

Варианты отделки поверхности

Естественно, 3D-отпечатки часто имеют видимые горизонтальные линии слоев. Поскольку объекты 3D-печати состоят из слоев. Однако создается эффект вертикальных линий вокселей. Потому что и DLP-SLA, и MSLA визуализируют изображения с использованием прямоугольных вокселей.

Стереолитография против DLP: обработка поверхности

Поскольку блок вокселей имеет прямоугольную форму, воксели также влияют на изогнутые края. Хороший способ осмыслить это — подумать о том, как вы построили бы круглую форму из кубиков Lego. Края будут выглядеть ступенчатыми как по оси Z, так и по плоскости XY. Это известно как эффект вокселя.

Эффект вокселя

Для печатных ортодонтических моделей, которые будут использоваться для изготовления ретейнеров, прозрачных элайнеров и других приспособлений, обработка поверхности и воксельный эффект самих моделей не имеют большого значения. Только калибровка машины и общее разрешение напечатанной модели будут иметь значение.

Однако, когда дело доходит до прямой 3D-печати внутриротовых приспособлений, когда на пути появляется волна биосовместимых материалов, качество отделки поверхности может быть очень важным, чтобы избежать значительной постобработки. Например, таких как окклюзионные шины, зубные протезы, мосты и т. д.

по материалам formlabs.com и theorthocosmos.com

Все новости в наших группах: вконтакте, twitter, facebook