Стереолитография ( SLA или SL ; также известная как фотополимеризация в ванне , [1] оптическое изготовление , фотоотверждение или печать смолой ) — это форма технологии 3D-печати, используемая для создания моделей , прототипов , шаблонов и производственных деталей послойно с использованием фотохимических процессов, при которых свет заставляет химические мономеры и олигомеры сшиваться вместе , образуя полимеры . [2] Затем эти полимеры 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] Стереолитографию можно использовать для создания прототипов для продуктов в разработке, медицинских моделей и компьютерного оборудования, а также во многих других приложениях. Хотя стереолитография быстрая и может производить практически любой дизайн, она может быть дорогой. [ необходима цитата ]
Стереолитография или печать «SLA» является ранней и широко используемой технологией 3D-печати. В начале 1980-х годов японский исследователь Хидео Кодама впервые изобрел современный многослойный подход к стереолитографии, используя ультрафиолетовый свет для отверждения светочувствительных полимеров. [4] [5] В 1984 году, как раз перед тем, как Чак Халл подал свой собственный патент, Ален Ле Меот , Оливье де Витте и Жан Клод Андре подали патент на процесс стереолитографии. [6] Заявка французских изобретателей на патент была отклонена французской компанией General Electric (теперь Alcatel-Alsthom) и CILAS (The Laser Consortium). Ле Меот считает, что отказ отражает проблему с инновациями во Франции. [7] [8]
Термин «стереолитография» (греч. stereo-solid и lithography ) был придуман в 1984 году Чаком Халлом, когда он подал заявку на патент на этот процесс. [2] [9] Халл запатентовал стереолитографию как метод создания 3D-объектов путем последовательной «печати» тонких слоев объекта с использованием среды, отверждаемой ультрафиолетовым светом , начиная с нижнего слоя и заканчивая верхним. Патент Халла описывал концентрированный луч ультрафиолетового света, сфокусированный на поверхности ванны, заполненной жидким фотополимером . Луч фокусируется на поверхности жидкого фотополимера, создавая каждый слой желаемого 3D-объекта посредством сшивания (образования межмолекулярных связей в полимерах). Он был изобретен с целью позволить инженерам создавать прототипы своих конструкций более эффективным способом. [4] [10] После того, как патент был выдан в 1986 году, [2] Халл стал соучредителем первой в мире компании по 3D-печати, 3D Systems , чтобы коммерциализировать его. [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 для определения того, может ли предлагаемый объект быть построен с использованием 3D-печати. [13]
Стереолитография — это процесс аддитивного производства, который в своей наиболее распространенной форме работает путем фокусировки ультрафиолетового (УФ) лазера на ванну с фотополимерной смолой. [14] С помощью программного обеспечения автоматизированного производства или автоматизированного проектирования (CAM/CAD) [15] УФ-лазер используется для рисования предварительно запрограммированного дизайна или формы на поверхности ванны с фотополимером. Фотополимеры чувствительны к ультрафиолетовому излучению, поэтому смола фотохимически затвердевает и образует один слой желаемого 3D-объекта. [16] Затем платформа для сборки 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 или темно-синий полимеризационный лазер вверх через дно ванны. [17] Инвертированная стереолитографическая машина начинает печать, опуская платформу сборки до соприкосновения с дном ванны, заполненной смолой, а затем перемещаясь вверх на высоту одного слоя. Затем УФ-лазер пишет самый нижний слой нужной детали через прозрачное дно ванны. Затем ванна «раскачивается», сгибая и отслаивая дно ванны от затвердевшего фотополимера; затвердевший материал отделяется от дна ванны и остается прикрепленным к поднимающейся платформе сборки, а новый жидкий фотополимер втекает с краев частично построенной детали. Затем УФ-лазер пишет второй снизу слой и повторяет процесс. Преимущество этого режима снизу вверх заключается в том, что объем сборки может быть намного больше, чем сама ванна, и требуется только достаточное количество фотополимера, чтобы дно ванн для сборки было постоянно заполнено фотополимером. Этот подход типичен для настольных принтеров SLA, в то время как подход с правой стороны вверх более распространен в промышленных системах. [5]
Стереолитография требует использования опорных конструкций, которые крепятся к платформе подъемника для предотвращения прогиба из-за силы тяжести, сопротивления боковому давлению от заполненного смолой лезвия или сохранения вновь созданных секций во время «раскачивания ванны» печати снизу вверх. Опоры обычно создаются автоматически во время подготовки моделей САПР, а также могут быть сделаны вручную. В любой ситуации опоры должны быть удалены вручную после печати. [5]
Другие формы стереолитографии создают каждый слой с помощью маскирования ЖК-дисплея или с помощью DLP-проектора. [18] [19]
Жидкие материалы, используемые для печати SLA, обычно называются «смолами» и представляют собой термореактивные полимеры. В продаже имеется широкий ассортимент смол, а также можно использовать самодельные смолы для тестирования различных составов, например. Свойства материалов различаются в зависимости от конфигураций рецептуры: «материалы могут быть мягкими или твердыми, сильно заполненными вторичными материалами, такими как стекло и керамика, или наделенными механическими свойствами, такими как высокая температура изгиба при нагревании или ударопрочность». [20] Недавно [ когда? ] некоторые исследования проверили возможность использования экологически чистых [21] или повторно используемых [22] материалов для производства «устойчивых» смол. Смолы можно классифицировать по следующим категориям: [23]
Стереолитографические модели используются в медицине с 1990-х годов [24] для создания точных 3D- моделей различных анатомических областей пациента на основе данных компьютерного сканирования. [25] Медицинское моделирование включает в себя сначала получение КТ , МРТ или другого сканирования. [26] Эти данные состоят из серии поперечных сечений изображений анатомии человека. На этих изображениях различные ткани отображаются в виде разных уровней серого. Выбор диапазона значений серого позволяет изолировать определенные ткани. Затем выбирается интересующая область и выбираются все пиксели, связанные с целевой точкой в пределах этого диапазона значений серого. Это позволяет выбрать определенный орган. Этот процесс называется сегментацией. Затем сегментированные данные могут быть переведены в формат, подходящий для стереолитографии. [27] Хотя стереолитография обычно точна, точность медицинской модели зависит от многих факторов, особенно от оператора, правильно выполняющего сегментацию. При создании медицинских моделей с использованием стереолитографии возможны потенциальные ошибки, но их можно избежать с практикой и хорошо обученными операторами. [28]
Стереолитографические модели используются в качестве вспомогательного средства для диагностики, предоперационного планирования, а также проектирования и изготовления имплантатов. Это может включать планирование и репетицию остеотомий , например. Хирурги используют модели для планирования операций [29], но протезисты и технологи также используют модели в качестве вспомогательного средства для проектирования и изготовления имплантатов, подходящих по размеру. Например, медицинские модели, созданные с помощью стереолитографии, могут использоваться для создания пластин для краниопластики . [30] [31]
В 2019 году ученые из Университета Райса опубликовали статью в журнале Science , в которой представили мягкие гидрогелевые материалы для стереолитографии, используемые в биологических исследованиях. [32]
Стереолитография часто используется для прототипирования деталей. За относительно низкую цену стереолитография может производить точные прототипы, даже нестандартных форм. [33] Предприятия могут использовать эти прототипы для оценки дизайна своего продукта или в качестве рекламы для конечного продукта. [29]
Одним из преимуществ стереолитографии является ее скорость; функциональные детали могут быть изготовлены в течение дня. [10] Продолжительность времени, необходимого для производства одной детали, зависит от сложности конструкции и размера. Время печати может длиться от нескольких часов до более чем одного дня. [10] Детали, напечатанные методом SLA, в отличие от полученных с помощью FFF/FDM , не демонстрируют значительной анизотропии, и нет видимого рисунка слоев. Качество поверхности, в целом, превосходное. Прототипы и конструкции, изготовленные с помощью стереолитографии, достаточно прочны для механической обработки [34] [35] и также могут использоваться для изготовления мастер-моделей для литья под давлением или различных процессов литья металлов . [34]
Хотя стереолитографию можно использовать для создания практически любого синтетического дизайна, [15] она часто бывает дорогостоящей, хотя цена снижается. С 2012 года [36] однако общественный интерес к 3D-печати вдохновил на разработку нескольких потребительских SLA-машин, которые могут стоить значительно дешевле. Начиная с 2016 года, замена методов SLA и DLP на ЖК-панель с высоким разрешением и высокой контрастностью снизила цены до уровня ниже 200 долларов США. Слои создаются полностью, поскольку весь слой отображается на ЖК-экране и экспонируется с помощью УФ-светодиодов, которые находятся ниже. Достижимо разрешение 0,01 мм. Другим недостатком является то, что фотополимеры липкие, грязные и с ними нужно обращаться осторожно. [37] Новые детали необходимо промывать, дополнительно отверждать и сушить. Для понимания воздействия всех этих процессов на окружающую среду требуется больше исследований, но в целом технологии SLA не создали никаких биоразлагаемых или компостируемых форм смолы, в то время как другие методы 3D-печати предлагают некоторые компостируемые варианты PLA . Выбор материалов ограничен по сравнению с FFF , который может обрабатывать практически любой термопластик.
конкретно, когда платформа для печати опускается в стеклянный резервуар со смолой, на нее из-под прозрачного резервуара падает ультрафиолетовый лазерный луч. (По этой причине SLA иногда называют технологией лазерной 3D-печати.) Под воздействием лазерного луча смола отверждается, затвердевает и прилипает к платформе. По мере того, как больше смолы подвергается воздействию лазерного луча, создается рисунок и присоединяется к слою выше. По мере создания все большего количества слоев платформа для сборки медленно — очень медленно — движется вверх, в конце концов вытягивая весь объект из резервуара по завершении процесса печати.