stringtranslate.com

Стереолитография

Схематическое изображение стереолитографии: светоизлучающее устройство а) Лазер или DLP выборочно освещает прозрачное дно в) резервуара б) наполненного жидкой фотополимеризующейся смолой. Затвердевшая смола d) постепенно поднимается подъемной платформой e)
Деталь, произведенная по SLA
Пример печатной платы SLA с различными компонентами для имитации конечного продукта.

Стереолитография ( SLA или SL ; также известная как фотополимеризация в чане , [1] оптическое изготовление , фотозатвердевание или печать смолой ) — это форма технологии 3D-печати, используемая для создания моделей , прототипов , шаблонов и производственных деталей слой за слоем. мода с использованием фотохимических процессов, с помощью которых свет заставляет химические мономеры и олигомеры сшиваться вместе с образованием полимеров . [2] Эти полимеры затем составляют тело трехмерного твердого тела. Исследования в этой области проводились в 1970-х годах, но этот термин был придуман Чаком Халлом в 1984 году, когда он подал заявку на патент на этот процесс, который был выдан в 1986 году. [3] Стереолитография может использоваться для создания прототипов продуктов в разработки, медицинские модели и компьютерное оборудование, а также во многих других приложениях. Хотя стереолитография работает быстро и позволяет создать практически любой дизайн, она может быть дорогой. [ нужна цитата ]

История

Стереолитография или печать «SLA» — это ранняя и широко используемая технология 3D-печати. В начале 1980-х годов японский исследователь Хидео Кодама впервые изобрел современный многослойный подход к стереолитографии, используя ультрафиолет для отверждения светочувствительных полимеров. [4] [5] В 1984 году, незадолго до того, как Чак Халл подал свой собственный патент, Ален Ле Меот , Оливье де Витт и Жан-Клод Андре подали патент на процесс стереолитографии. [6] Заявка на патент французских изобретателей была отклонена французской компанией General Electric (ныне Alcatel-Alsthom) и CILAS (Лазерный консорциум). Ле Меот считает, что отказ отражает проблему с инновациями во Франции. [7] [8]

Термин «стереолитография» (по-гречески: стереотвердое тело и литография ) был придуман в 1984 году Чаком Халлом , когда он подал заявку на патент на этот процесс. [2] [9] Халл запатентовал стереолитографию как метод создания трехмерных объектов путем последовательной «печати» тонких слоев объекта с использованием среды, отверждаемой ультрафиолетовым светом , начиная от нижнего слоя к верхнему слою. В патенте Халла описывался концентрированный луч ультрафиолетового света, сфокусированный на поверхности ванны, наполненной жидким фотополимером . Луч фокусируется на поверхности жидкого фотополимера, создавая каждый слой нужного трехмерного объекта посредством сшивки (образования межмолекулярных связей в полимерах). Он был изобретен с целью позволить инженерам создавать прототипы своих проектов более эффективным способом. [4] [10] После того, как патент был выдан в 1986 году, [2] Халл стал соучредителем первой в мире компании 3D-печати, 3D Systems , для ее коммерциализации. [11]

Успех стереолитографии в автомобильной промышленности позволил 3D-печати достичь статуса отрасли, и эта технология продолжает находить инновационное применение во многих областях исследований. [10] [12] Были предприняты попытки построить математические модели процессов стереолитографии и разработать алгоритмы, позволяющие определить, может ли предлагаемый объект быть построен с использованием 3D-печати. [13]

Технологии

Стереолитография — это процесс аддитивного производства, который в своей наиболее распространенной форме работает путем фокусировки ультрафиолетового (УФ) лазера на ванне с фотополимерной смолой. [14] С помощью программного обеспечения для автоматизированного производства или компьютерного проектирования (CAM/CAD) [15] УФ-лазер используется для рисования заранее запрограммированного рисунка или формы на поверхности ванны с фотополимером. Фотополимеры чувствительны к ультрафиолету, поэтому смола фотохимически затвердевает и образует один слой желаемого трехмерного объекта. [16] Затем рабочая платформа опускает один слой, и лезвие повторно покрывает верхнюю часть резервуара смолой. [5] Этот процесс повторяется для каждого слоя дизайна, пока 3D-объект не будет завершен. Готовые детали необходимо промыть растворителем, чтобы очистить их поверхности от влажной смолы. [17]

Также возможно печатать объекты «снизу вверх», используя ванну с прозрачным дном и фокусируя УФ-лазер или темно-синий полимеризационный лазер вверх через дно ванны. [17] Инвертированная стереолитографическая машина начинает печать, опуская рабочую платформу до дна заполненной смолой ванны, а затем перемещая ее вверх на высоту одного слоя. Затем УФ-лазер записывает самый нижний слой желаемой детали через прозрачное дно ванны. Затем чан «раскачивают», сгибая и отделяя дно чана от затвердевшего фотополимера; затвердевший материал отделяется от дна ванны и остается прикрепленным к поднимающейся платформе, а новый жидкий фотополимер вытекает из краев частично построенной детали. Затем УФ-лазер записывает второй снизу слой и повторяет процесс. Преимущество этого восходящего режима заключается в том, что объем сборки может быть намного больше, чем сам чан, и требуется ровно столько фотополимера, чтобы дно ванны для сборки постоянно было заполнено фотополимером. Этот подход типичен для настольных принтеров SLA, тогда как подход с размещением правой стороной вверх более распространен в промышленных системах. [5]

Стереолитография требует использования поддерживающих конструкций, которые прикрепляются к платформе подъемника, чтобы предотвратить отклонение под действием силы тяжести, противостоять боковому давлению со стороны наполненного смолой лезвия или сохранить вновь созданные секции во время «раскачивания ванны» при печати снизу вверх. Опоры обычно создаются автоматически во время подготовки моделей САПР, а также могут быть изготовлены вручную. В любой ситуации после печати опоры необходимо удалить вручную. [5]

Другие формы стереолитографии создают каждый слой путем маскировки ЖК-дисплея или использования DLP-проектора. [18]

Материалы

Жидкие материалы, используемые для печати SLA, обычно называются «смолами» и представляют собой термореактивные полимеры. В продаже имеется широкий выбор смол, а также можно использовать самодельные смолы, например, для тестирования различных составов. Свойства материалов различаются в зависимости от конфигурации рецептуры: «материалы могут быть мягкими или твердыми, сильно наполненными вторичными материалами, такими как стекло и керамика, или обладать механическими свойствами, такими как высокая температура теплового отклонения или ударопрочность». [19] Недавно [ когда? ] некоторые исследования проверили возможность экологичности [20] или многократного использования [21] материалов для производства «экологичных» смол. Смолы можно классифицировать по следующим категориям: [22]

Использование

Медицинское моделирование

Стереолитографическая модель черепа.

Стереолитографические модели используются в медицине с 1990-х годов [23] для создания точных 3D- моделей различных анатомических областей пациента на основе данных компьютерного сканирования. [24] Медицинское моделирование предполагает сначала получение КТ , МРТ или другого сканирования. [25] Эти данные состоят из серии изображений поперечного сечения анатомии человека. На этих изображениях разные ткани показаны как разные уровни серого. Выбор диапазона значений серого позволяет изолировать определенные ткани. Затем выбирается интересующая область и выбираются все пиксели, соединенные с целевой точкой в ​​этом диапазоне значений серого. Это позволяет выбрать конкретный орган. Этот процесс называется сегментацией. Сегментированные данные затем можно перевести в формат, подходящий для стереолитографии. [26] Хотя стереолитография обычно точна, точность медицинской модели зависит от многих факторов, особенно от того, правильно ли оператор выполняет сегментацию. При создании медицинских моделей с использованием стереолитографии возможны потенциальные ошибки, но их можно избежать при наличии практики и хорошо обученных операторов. [27]

Стереолитографические модели используются в качестве вспомогательного средства для диагностики, предоперационного планирования, а также проектирования и изготовления имплантатов. Это может включать , например, планирование и репетицию остеотомии . Хирурги используют модели для планирования операций [28] , но протезисты и технологи также используют модели в качестве вспомогательного средства для проектирования и изготовления имплантатов, подходящих по индивидуальному заказу. Например, медицинские модели, созданные с помощью стереолитографии, можно использовать для изготовления пластин для краниопластики . [29] [30]

В 2019 году ученые из Университета Райса опубликовали в журнале Science статью , в которой представили мягкие гидрогелевые материалы для стереолитографии, используемые в биологических исследованиях. [31]

Прототипирование

Стереолитография часто используется для прототипирования деталей. За относительно низкую цену стереолитография позволяет создавать точные прототипы даже неправильной формы. [32] Предприятия могут использовать эти прототипы для оценки дизайна своего продукта или для рекламы конечного продукта. [28]

Преимущества и недостатки

Преимущества

Одним из преимуществ стереолитографии является ее скорость; функциональные детали могут быть изготовлены в течение одного дня. [10] Время, необходимое для изготовления одной детали, зависит от сложности конструкции и размера. Время печати может длиться от нескольких часов до более суток. [10] Детали, напечатанные по SLA, в отличие от деталей, полученных из FFF/FDM , не демонстрируют значительной анизотропии и видимого наслоения. Качество поверхности в целом превосходное. Прототипы и конструкции, выполненные с помощью стереолитографии, достаточно прочны, чтобы их можно было обрабатывать [33] [34] , а также можно использовать для изготовления эталонных моделей для литья под давлением или различных процессов литья металлов . [33]

Недостатки

Хотя стереолитографию можно использовать для создания практически любого синтетического дизайна, [15] она часто обходится дорого, хотя цена снижается. Однако с 2012 года [35] общественный интерес к 3D-печати вдохновил на разработку нескольких потребительских машин SLA, которые могут стоить значительно дешевле. Начиная с 2016 года замена методов SLA и DLP с использованием высококонтрастной ЖК-панели с высоким разрешением привела к снижению цен до уровня ниже 200 долларов США. Слои создаются целиком, поскольку весь слой отображается на ЖК-экране и экспонируется. используя УФ-светодиоды, расположенные ниже. Достижимо разрешение 0,01 мм. Еще одним недостатком является то, что фотополимеры липкие, грязные и требуют осторожного обращения. Недавно изготовленные детали необходимо промыть, дополнительно отверждать и сушить. Воздействие всех этих процессов на окружающую среду требует дополнительных исследований, чтобы понять, но в целом технологии SLA не создали никаких биоразлагаемых или компостируемых форм смолы, в то время как другие методы 3D-печати предлагают некоторые варианты компостируемого PLA . Выбор материалов ограничен по сравнению с FFF , который может обрабатывать практически любой термопласт.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стандарт ISO/ASTM 52900. Производство добавок. Общие принципы. Основы и словарный запас.
  2. ^ abc Патент США 4,575,330 («Устройство для производства трехмерных объектов методом стереолитографии»)
  3. ^ «Патент США на устройство для производства трехмерных объектов методом стереолитографии. Патент (Патент № 4,575,330, выданный 11 марта 1986 г.) - Поиск патентов Justia». патенты.justia.com . Проверено 24 апреля 2019 г.
  4. ^ Аб Гибсон, Ян, и Хорхе Бартоло, Пауло. «История стереолитографии». Стереолитография: материалы, процессы и приложения. (2011): 41-43. Распечатать. 7 октября 2015 г.
  5. ^ abcd «Полное руководство по стереолитографии (SLA) 3D-печати» . Формлабс . Формлабс, Инк . Проверено 26 декабря 2017 г.
  6. ^ Жан-Клод, Андре. «Disdpositif для реализации промышленной модели». Национальная промышленная собственность .
  7. ^ Муссион, Александр (2014). «Интервью Алена Ле Мехоте, l'un des pères de l'impression 3D». Приманте 3D .
  8. ↑ Мендоса, Ханна Роуз (15 мая 2015 г.). «Ален Ле Мехоте, человек, который подал патент на 3D-печать SLA до Чака Халла». 3dprint.com . 3ДР Холдингс, ООО.
  9. ^ «Стереолитография / 3D-печать / аддитивное производство» . Фотополимеры . Савла Ассошиэйтс. Архивировано из оригинала 14 февраля 2008 года . Проверено 10 августа 2017 г.
  10. ^ abcd Халл, Чак (2012). «О стереолитографии». Виртуальное и физическое прототипирование . 7 (3): 177. дои : 10.1080/17452759.2012.723409. S2CID  219623097.
  11. ^ «Наша история». 3D-системы . 3D Systems, Inc. 12 января 2017 г. . Проверено 10 августа 2017 г.
  12. ^ Джейкобс, Пол Ф. «Введение в быстрое прототипирование и производство». Быстрое прототипирование и производство: основы стереолитографии. 1-е изд. (1992): 4-6. Распечатать. 7 октября 2015 г.
  13. ^ Б. Асберг, Г. Бланко, П. Бозе , Дж. Гарсиа-Лопес, М. Овермарс , Г. Туссен , Г. Уилфонг и Б. Чжу, «Возможность проектирования в стереолитографии», Algorithmica , специальный выпуск по вычислительной геометрии. в производстве, Vol. 19, № 1/2, сентябрь/октябрь 1997 г., стр. 61–83.
  14. ^ Кривелло, Джеймс В. и Эльза Райхманис. «Фотополимерные материалы и процессы для передовых технологий». Химия материалов Хим. Матер. 26.1 (2014): 533. Печать.
  15. ^ аб Липсон, Ход, Фрэнсис К. Мун , Джимми Хай и Карло Павенти. «3D-печать: история механизмов». Журнал механического дизайна J. Mech. Дес. (2004): 1029-033. Распечатать.
  16. ^ Фуасье, JP «Реакции фотополимеризации». База данных свойств полимеров Wiley 3 (2003): 25. Печать.
  17. ^ аб Нго, Донг. «Обзор 3D-принтера Formlabs Form 2: отличный 3D-принтер за огромную цену». CNET . Проверено 3 августа 2016 г. Точнее, когда платформа для печати опускается в резервуар из полимерного стекла, на нее светит ультрафиолетовый лазерный свет из-под прозрачного резервуара. (По этой причине SLA иногда называют технологией лазерной 3D-печати.) Под воздействием лазерного света смола затвердевает, затвердевает и прилипает к платформе. По мере того, как больше смолы подвергается воздействию лазерного света, создается узор, который соединяется с верхним слоем. По мере того, как создается все больше и больше слоев, платформа сборки медленно — очень медленно — движется вверх, наконец, вытягивая весь объект из резервуара по завершении процесса печати.
  18. ^ рсеребрянс. «О разнице между DLP и SLA-принтерами на базе ЖК-дисплея | Matter Replicator» . Проверено 17 марта 2019 г.
  19. ^ «Полное руководство по 3D-печати стереолитографии (SLA) (обновлено к 2020 г.)» . Формлабс . Проверено 21 октября 2020 г.
  20. ^ Ву, Б.; Суфи, А.; Бисвас, Р.Г.; Хисацунэ, А.; Моксли-Пакетт, В.; Нин, П.; Сунг, Р.; Дикс, AP и Симпсон, AJ (2019). «Прямое преобразование отходов кулинарного масла McDonald's в биоразлагаемую смолу для 3D-печати высокого разрешения». ACS Устойчивая химия и инженерия . Том. 8. С. 1171–1177. doi : 10.1021/acssuschemeng.9b06281. S2CID  214174209.
  21. ^ Ши, К.; Ю, К.; Куанг, X.; Му, Х.; Данн, СК; Данн, ML; Ван, Т. и Ци, HJ (2017). «3D-печать витримерной эпоксидной смолы, пригодная для вторичной переработки». Горизонты материалов . Том. 4. С. 598–607. дои : 10.1039/C7MH00043J.
  22. ^ «Сравнение материалов для 3D-печати SLA» . 3D-концентраторы . Проверено 21 октября 2020 г.
  23. ^ Климек, Л; Кляйн Х.М.; Шнайдер В; Могес Р; Шмельцер Б; Вой ЭД (1993). «Стереолитографическое моделирование для реконструктивной хирургии головы». Acta Oto-Rhino-Laryngologica Belgica . 47 (3): 329–34. ПМИД  8213143.
  24. ^ Буисси, Дж. Ф.; Буисси С; Шаррок П; Дюран Д. (1997). «Стереолитографические модели, полученные на основе рентгеновской компьютерной томографии. Точность воспроизведения». Хирургическая и радиологическая анатомия . 19 (3): 193–9. ПМИД  9381322.
  25. ^ Уиндер, Р.Дж.; Бибб, Р. (2009). «Обзор проблем, связанных с трехмерной компьютерной томографией для медицинского моделирования с использованием методов быстрого прототипирования». Рентгенография . 16 : 78–83. дои : 10.1016/j.radi.2009.10.005. S2CID  72633062.
  26. ^ Бибб, Ричард (2006). Медицинское моделирование: применение передовых технологий проектирования и разработки в медицине . Кембридж: ISBN Woodhead Publishing Ltd. 978-1-84569-138-7.
  27. ^ Уиндер, Р.Дж.; Бибб, Р. (2005). «Технологии быстрого медицинского прототипирования: современное состояние и текущие ограничения для применения в челюстно-лицевой хирургии». Журнал челюстно-лицевой хирургии . 63 (7): 1006–15. doi :10.1016/j.joms.2005.03.016. ПМИД  16003630.
  28. ^ ab «Применение SLA». Стереолитография . Проверено 7 октября 2016 г.
  29. ^ Д'Урсо, Пол; Эффени, Дэвид; Эрвакер, В. Джон; Баркер, Тимоти; Редмонд, Майкл; Томпсон, Роберт; Томлинсон, Фрэнсис (апрель 2000 г.). «Индивидуальная краниопластика с использованием стереолитографии и акрила». Британский журнал пластической хирургии . 53 (3): 200–204. дои : 10.1054/bjps.1999.3268 . ПМИД  10738323.
  30. ^ Кляйн, HM; Шнайдер, В.; Альцен, Г.; Вой, ЭД; Гюнтер, RW (октябрь 1992 г.). «Детская черепно-лицевая хирургия: сравнение фрезерования и стереолитографии для изготовления 3D-моделей». Детская радиология . 22 (6): 458–460. дои : 10.1007/BF02013512. PMID  1437375. S2CID  12820200.
  31. ^ Григорян, Баграт; Полсен, Саманта Дж.; Корбетт, Дэниел К.; Сазер, Дэниел В.; Фортин, Челси Л.; Заита, Александр Дж.; Гринфилд, Пол Т.; Калафат, Николас Дж.; Ганли, Джон П.; Та, Андерсон Х.; Йоханссон, Фредрик; Рэндлс, Аманда; Розенкранц, Джессика Э.; Луи-Розенберг, Джесси Д.; Гали, Питер А.; Стивенс, Келли Р.; Миллер, Джордан С. (3 мая 2019 г.). «АААС». Наука . 364 (6439): 458–464. doi : 10.1126/science.aav9750. ПМЦ 7769170 . ПМИД  31048486. 
  32. ↑ Палермо, Элизабет (16 июля 2013 г.). «Что такое стереолитография?». Живая наука . Группа закупок . Проверено 7 октября 2016 г.
  33. ^ ab "Стеролитография". Прото3000 . Прото3000 Inc. Проверено 22 июня 2018 г.
  34. ^ «Технологии 3D-печати». Люма 3D-печать . ООО "ЛУМА-иД" . Проверено 22 июня 2018 г.
  35. ↑ Приндл, Дрю (6 июня 2017 г.). «Благодаря лазерам и горячему нейлону компания Formlabs вывела 3D-печать на совершенно новый уровень». Цифровые тенденции . Корпорация Дизайнтехника . Проверено 24 сентября 2018 г.

Источники

Внешние ссылки