Sla технология 3d. Возможность использования прозрачных полимеров. Ресурс отдельных элементов

Стереолитография (SLA) — это аддитивная технология, имеющая, как правило, отношение к 3D-печати, позволяющая с помощью источника света слой за слоем, посредством избирательного воздействия в результате фотополимеризации преобразовывать жидкие материалы в твердые объекты. SLA широко применяется для создания моделей, прототипов, шаблонов и готовых деталей в целом ряде отраслей — в промышленном производстве, в стоматологии, в ювелирном деле, в моделировании, в образовании.

В данном обширном материале вы узнаете о разных системах SLA, о разных материалах и их характеристиках, а также о сравнении SLA с другими имеющимися на рынке технологиями. Перевод с сайта formlabs.com

Краткая история

Впервые процесс SLA был продемонстрирован в начале 1970-х, когда японский исследователь д-р Хидео Кодама изобрел современный послойный подход к стереолитографии, применив ультрафиолетовое излучение для отверждения светочувствительных полимеров. Сам термин «стереолитография» был введен в обращение Чарльзом (Чаком) У. Халлом, который запатентовал технологию в 1986 году и для ее коммерческого продвижения основал компанию 3D Systems. Халл описывал данный метод как создание трехмерных объектов путем последовательной, снизу вверх, печати тонких слоев материалом, который отверждается ультрафиолетом. Позднее определение было расширено на любые материалы, способные к отверждению и изменению своих физических свойств.

Сегодня под 3D-печатью и аддитивной технологией понимается множество различных процессов, которые различаются методами создания слоя, материалами и аппаратным обеспечением.

Срок действия патента начал истекать к концу 2000-х, и в это время на сцене появились настольные 3D-принтеры, которые расширили доступ к технологии, предложив для начала внедрение послойного наплавления (FDM) на настольные платформы. Несмотря на то, что эта недорогая, основанная на экструдировании технология способствовала широкому распространению 3D-печати, качество получаемых деталей ограничивало ее использование, поскольку повторяемые и высокоточные результаты оказались в данном случае критическими в профессиональных приложениях.

Прототипы Form 1, первого настольного SLA 3D-принтера

SLA вскоре тоже последовала путем FDM и пришла на настольные системы: в 2011 году технология была надлежащим образом модифицирована компанией Formlabs. Появилась надежда на то, что печать с высоким разрешением, которая прежде была возможна только на промышленных системах, появится в гораздо меньшем формфакторе и по более доступной цене, допуская применение широкого спектра материалов. Такие возможности сделали 3D-печать доступной для целого ряда решений, включая инженерию, дизайн и производство товаров широкого потребления, стоматологию и ювелирное дело.

Системы SLA

Технология SLA принадлежит к семейству аддитивных технологий фотополимеризации в ванне. Соответственно, и SLA-принтеры построены примерно на этом принципе: используется источник света (ультрафиолетовый лазер или проектор) для превращения жидкого полимера в затвердевший пластик. Основное физическое различие аппаратов состоит в конфигурации основных компонентов, таких как источник света, рабочая платформа, емкость с полимером.

Так работает стереолитография

Нормальный (Right-Side Up) процесс SLA

Аппараты с нормальным (Right-Side Up) процессом SLA построены вокруг большого резервуара с жидким фотополимером и рабочей платформой. Ультрафиолетовый лазер фокусируется на поверхности полимера, проходя по профилю 3D-модели. Затем платформа опускается на расстояние, равное толщине одного слоя, а лопатка с фотополимером проходит по ванне, чтобы пополнить ее материалом. Слои создаются один поверх другого до тех пор, пока деталь не будет готова.

Такой подход используется в основном в крупногабаритных промышленных системах и до появления настольных решений он был стандартом для стереолитографии. Его преимущества заключаются в возможностях создания очень крупных 3D-объектов, малой нагрузке на деталь в процессе печати, высокой детализации и четкости.

В силу больших размеров установки, требований к обслуживанию и объема материала нормальные SLA-системы требуют больших первоначальных инвестиций и дороги в работе. Полимером должна быть заполнена вся область печати, а это зачастую 10-100 и более литров, в результате чего на обслуживание, фильтрование и замену материала уходит много времени. Такие машины очень чувствительны в отношении своего положения в пространстве, любой перекос может привести к тому, что лопатка с полимером опрокинет деталь, т.е. к фатальному сбою печати.

Инвертированный (Upside-Down) процесс SLA

Как ясно из названия, инвертированный, перевернутый процесс стереолитографии - это процесс наоборот. При таком методе используется резервуар с прозрачным дном и неадгезионной (к которой не прилипает) поверхностью, выступающей в качестве субстрата для отверждающегося жидкого полимера, допуская свободное отделение от только что созданного слоя. Платформа погружается в резервуар с полимером так, чтобы до дна оставалось пространство, равное толщине слоя или последнего завершенного слоя.

Через систему зеркал луч ультрафиолетового лазера двумя зеркальными гальванометрами направляется в точку с нужными координатами, фокусируясь снизу, через дно ванны, на отверждаемый слой фотополимера. В результате вертикального движения платформы и горизонтального движения резервуара отвержденный слой отделяется от дна резервуара, и платформа поднимается, оставляя под собой новый слой полимера. Процесс повторяется до завершения печати. В более продвинутых системах резервуар подогревается, чтобы обеспечить контроль температуры, а вдоль резервуара под новым слоем проходит лопатка, чтобы обеспечить циркуляцию полимера и удаление его полузастывших остатков.

Преимущество такого инвертированного подхода состоит в том, что размер создаваемого объекта может превышать объем резервуара, поскольку аппарату нужно иметь лишь достаточно материала для постоянного покрытия дна ванны. Это обычно облегчает обслуживание, очистку, замену материала, а также значительно снижает размеры аппарата и его стоимость и позволяет перенести технологию SLA в настольные системы.

Инвертированные SLA-системы имеют свой ряд ограничений. Из-за сил сцепления, действующих на объект при его отделении от поверхности резервуара, рабочий объем ограничен, и требуется все больше опорных структур, чтобы удержать деталь над рабочей платформой. Силы сцепления ограничивают также использование более пластичных материалов, с твердостью по Шору менее 70А, поскольку пластичными становятся и опорные структуры.

Как нормальные, так и инвертированные системы SLA в большинстве случаев, в зависимости от дизайна, требуют использования опорных структур.

В нормальных системах эти структуры удерживают детали в заданном положении, обеспечивая правильное попадание на них материала, а также сопротивление боковому давлению при движении лопатки с полимером. В инвертированных SLA опоры служат для крепления к платформе нависающих элементов, предотвращают отделение слоев под воздействием сил тяжести и сцепления.

В обеих системах SLA опорные структуры используются для крепления деталей к рабочей платформе.

Большинство программ сами создают опорные структуры в ходе подготовки 3D-моделей, но может потребоваться и ручная подгонка. После завершения процесса печати эти опоры должны быть удалены, а объект подвергнут доводке.

Сравнение SLA-систем

Сравнение настольных SLA-принтеров на базе Formlabs и промышленных SLA-систем от 3D Systems.

Материалы

SLA 3D-принтеры - это инструмент, но именно материалы позволяют посредством стереолитографии создавать широкий спектр функциональных деталей для различных отраслей производства. В этом разделе мы рассмотрим процесс фотополимеризации и его исходные материалы, полимеры, как с точки зрения их уникальных свойств, так и в плане различных сочетаний для конкретных областей применения.

Процесс полимеризации

Пластики состоят из длинных углеродных цепочек. Чем короче цепочка, тем пластик менее прочен и более текуч. Полимер - это в рассматриваемом случае смола, состоящая из одной или более (до нескольких тысяч) коротких углеродных цепочек. Она имеет все компоненты финального пластика, но еще не полностью полимеризована. Когда такая смола подвергается воздействию ультрафиолета, ее углеродные цепочки сцепляются, образуя более длинную и, соответственно, более прочную структуру. После того как прореагировало достаточное количество цепочек, получается твердая деталь.

Этапы процесса полимеризации

Давайте рассмотрим процесс еще подробнее. Цепочки мономеров и олигомеров в полимере имеют на концах активные молекулярные группы. Когда на полимер падает УФ-излучение, молекула фотоинициатора распадается на две части, а соединявшая их связь образует два очень реактивных радикала. Эти молекулы передают реактивные радикалы активным группам цепочек мономеров и олигомеров, которые в свою очередь реагируют с другими активными группами, образуя более длинные цепочки. По мере удлинения цепочек и возникновения перекрестных связей пластик начинает затвердевать. Весь процесс перехода от жидкого до высокополимеризованного твердого состояния протекает за миллисекунды.

Характеристики полимеров и пластиков

Различные полимеры состоят из различных основных и боковых групп - различных комбинаций длинных и коротких мономеров, олигомеров, фотоинициаторов и добавок. Это обеспечивает уникальные возможности по созданию различных формул с большим количеством оптических, механических и термических свойств - от чистых прозрачных до окрашенных пластиков, от гибких до жестких, от вязких до термостойких.

Состав фотополимерной смолы

Изотропия и анизотропия

В силу послойной природы технологий 3D-печати, в ряде случаев свойства созданного таким образом объекта в определенной мере различаются в зависимости от направления - это называется анизотропия. Например, напечатанный 3D-объект может иметь разное сопротивление на разрыв или жесткость по осям X, Y и Z.

В процессе SLA 3D-печати компоненты полимера образуют ковалентные связи. Это обеспечивает высокую боковую прочность, но реакция полимеризации не доводится до завершения. Процесс печати модулируется таким образом, что слой поддерживается в полупрореагировавшем состоянии, которое называет «зеленым». Зеленое состояние отличается от полностью застывшего в одном важном моменте: на поверхности всё еще остаются полимеризируемые группы, которые образуют ковалентные связи с последующим слоем.

Когда этот последующий слой отвердевает, в реакцию полимеризации вовлекаются группы предыдущего слоя, образуя не только боковые ковалентные связи, но и связи с предыдущим слоем. Это означает, что на молекулярном уровне в плане химических связей разницы по пространственным осям нет или почти нет. Любой непрерывный объект, напечатанный по технологии SLA, изотропен.

При SLA-печати разницы по пространственным осям в плане химических связей нет. Любой непрерывный объект, напечатанный по технологии SLA, является непрерывной полимерной сетью.

Изотропность имеет как механические, так и оптические преимущества. Изотропные детали идеальны для прототипирования, поскольку отражают ряд свойств традиционных литых термопластиков, не страдают от расслоения и пористости. Образование химических связей и отсутствие видимых слоев внутри объекта позволяют печатать оптически чистые детали.

Доотверждение

Когда процесс стереолитографии завершен, напечатанная деталь остается на рабочей платформе в вышеупомянутом «зеленом» состоянии. Хотя она уже имеет конечную форму и вид, реакция полимеризации не доведена до конца, так что механические и термические свойства сформированы еще не вполне.

SLA-распечатки под ультрафиолетом. Ультрафиолетовое доотверждение завершает полимеризацию и стабилизирует механические свойства. Фото: formlabs.com

Дополнительное ультрафиолетовое отверждение завершает полимеризацию и стабилизирует механические свойства. Это позволяет детали достичь максимально возможной прочности и стать более стабильной, что особенно важно в случае функциональных пластиков для инженерии, стоматологии и ювелирного дела. Например, успешное пережигание в напечатанной форме под литье требует доотверждения, гибкие детали после доотверждения также становятся более прочными.

Термоотверждаемые пластики и термопластики

Фотополимерные смолы являются термоотверждаемыми пластиками - в противоположность термопластикам. Звучит похоже, но свойства и приложения могут значительно разниться. Главное физическое различие состоит в том, что термопластики могут быть неоднократно расплавлены до жидкого состояния и охлаждены обратно до твердого в разные геометрические формы, тогда как термоотверждаемые пластики после доотверждения навсегда остаются в твердом состоянии.

Полимеры в термоотверждаемых пластиках в процессе доотверждения перекрестно сцепляются друг с другом, образуя практически необратимые химические связи. В случае наиболее распространенных термоотверждаемых пластиков доотверждение осуществляется за счет соответствующего облучения, нередко под высоким давлением, в стереолитографии этот процесс возбуждается светом при участии фотоинициатора. Гранулы же термопластика под воздействием температуры размягчаются и разжижаются, причем процесс полностью обратим, поскольку химических связей не образуется.

Материалы SLA по сферам применения

Материалы для стереолитографии обычно создаются под определенные приложения или отрасли производства. В силу параметров используемой техники и процессов проприетарные материалы обычно имеют ограниченное применение в конкретных SLA-системах. Ниже мы познакомим с выбором материалов для настольных SLA-принтеров, предлагаемым компанией Formlabs.

Сменная фотокамера, полностью изготовленная из полимеров Standard, включая оптически прозрачные линзы. Фото: formlabs.com

Полимеры Standard обеспечивают высокое разрешение, мелкие детали и гладкую поверхность - сразу на выходе из принтера. Хотя доотверждение рекомендуется, оно требуется не всегда, что делает эти полимеры идеальными для быстрого прототипирования, разработки изделий и общего моделирования.

Engineering

Объекты, напечатанные полимерами Engineering, включая формы для термоформовки и литья, стельку для обуви и товары широкого потребления. Фото: formlabs.com

Полимеры Engineering симулируют множество литых пластиков, помогая проектировщикам и дизайнерам в создании концепций, прототипов, тестовых изделий, а также в выпуске готовой продукции. Обладая такими характеристиками, как прочность, износостойкость, гибкость или термостойкость, эти пластики используются для создания сборных и цельных функциональных объектов, сенсорных поверхностей, товаров народного потребления.

Модель, выполненная полимером Dental, биосовместимый зубной имплант, напечатанный на Form 2. Фото: formlabs.com

Материалы Dental позволяют стоматологическим лабораториям и клиникам создавать на месте различные персонализированные стоматологические изделия. Такие изделия моделируются по результатам компьютерного томографического сканирования полости рта пациента. Специфические применения включают ортодонтию, диагностику, обучающие модели, а также биосовместимые элементы, такие как хирургические инструменты и сверловоды.

Украшения, выполненные из полимера Castable для дальнейшего литья, и готовое кольцо. Фото: formlabs.com

SLA - идеальный вариант для прототипирования и отливки украшений с мельчайшими деталями. Обычные модельные полимеры рекомендуются для прототипирования при создании недорогих подгоночных и тестовых элементов, чтобы согласовать их с требованиями заказчика еще до отлива детали. Полимеры Castable предназначены непосредственно для создания форм для литья, позволяя ювелирным и литейным мастерским сразу переходить от цифрового дизайна к 3D-печати.

Experimental

Мыльница, напечатанная полимером Ceramic и подвергнутая дообработке с целью придания особо эстетичного вида. Фото: formlabs.com

Различные формулы полимеров с добавками и композитами открывают новые возможности для создания экспериментальных материалов. Полимер Ceramic позволяет после дообработки получать эстетично выглядящие объекты, неотличимые от традиционных керамических. После обжига распечатки превращаются в чистую керамику, готовую к лессировке.

Чем хорош настольный SLA-принтер

Чтобы помочь вам решить, подходит ли вам процесс SLA, мы сравним стереолитографию с традиционными методами производства и другими аддитивными технологиями.

Высокое разрешение и гладкая поверхность

Технология SLA сразу же выдает детали с готовой гладкой поверхностью. Это идеальный вариант для приложений, требующих безупречной доводки, и сокращает время изготовления, поскольку при желании детали легко дополнительно зачистить, отполировать и покрыть краской.

Обычно для определения разрешения 3D-принтера смотрят на высоту слоя (толщину по вертикали). На принтере Form 2 ее с учетом скорости и качества можно устанавливать в пределах от 25 до 100 микрон. Для сравнения: у принтеров FDM и SLS характерная толщина слоя составляет от 100 до 300 микрон. Но детали на 100 мк, напечатанные на FDM- или SLS-принтере, внешне отличаются от напечатанных с таким же разрешением деталей SLA. Распечатки SLA имеют более гладкую поверхность сразу на выходе из принтера по причине того, что стенки внешнего периметра получаются более плавными из-за взаимодействия каждого печатаемого слоя с предыдущими, которое сглаживает эффект лесенки. На распечатках FDM часто можно рассмотреть слои, а SLS имеют зернистую структуру от спекаемого порошка.

Ладьи, напечатанные при толщине слоя в 100 мк на настольном и промышленном FDM, на настольном SLA (Form 2), промышленном SLA и промышленном SLS. Фото: formlabs.com

Минимально возможная детализация также меньше в случае SLA: 140 мк от лазерного пятна у Form 2, 350 мк у промышленных SLS-принтеров, 250-800 мк от сопла аппаратов FDM.

Точность и повторяемость

На принтерах SLA можно создавать точные детали с повторяемыми размерами. Это особенно важно для функциональных приложений, таких как конструкторские сборки, формы для отливки украшений или стоматологические изделия по результатам сканирования.

Сочетание резервуара с нагретым пластиком и замкнутого пространства, в котором ведется печать, обеспечивает практически идентичные условия в каждой точке. Большая точность обуславливается также более низкой температурой печати по сравнению с технологиями, использующими термопластик, при которых происходит расплавление исходного материала. Поскольку при SLA применяется свет, а не тепло, процесс печати происходит практически при комнатной температуре, и печатаемые объекты не имеют артефактов от температурного расширения и сжатия.

В целом точность SLA-печати составляет от 50 до 200 мк, в зависимости от размера, полимера, геометрии модели и сгенерированных опор. В ходе недавних испытаний на Form 2 95% распечаток имели отклонения по размерам в 240 мк и менее.

Свобода дизайна

SLA предлагает наибольшую свободу дизайна среди всех технологий 3D-печати. В зависимости от геометрии детали, вогнутые и выпуклые элементы могут быть выполнены с точностью в 300 мк и лучше. Это особенно важно для сложных приложений, таких как скульптуры с мелкими элементами и ювелирные украшения тонкой работы.

В случае стереолитографии нет необходимости адаптировать модель для 3D-печати. Прототипы могут проектироваться с прицелом на производство. Это обеспечивает незаметный переход от прототипа к традиционным технологиям - машинной обработке или литью.

Выполненные по технологии SLA распечатки легко чистятся и доводятся. В пластике легко промываются внутренние протоки, что позволяет создавать микроканалы или полости, невозможные ни при каком другом процессе 3D-печати.

Микроканалы для тока и смешивания жидкостей, напечатанные пластиком Standard Clear. Фото: formlabs.com

Быстрое прототипирование с быстрыми итерациями

Стереолитография помогает инженерам и дизайнерам быстро улучшать внешний вид и функционал проекта. Механизмы и конструкции можно проверять и без проблем модифицировать в течение нескольких дней, что значительно помогает ускорить разработку и избежать дорогих инструментальных работ.

Последовательные итерации Sutrue, автоматизированного хирургического инструмента, прототипированного на SLA-принтерах Formlabs. Фото: formlabs.com

Настольные SLA-системы легко масштабируемы, что существенно увеличивает производительность и сокращает время ожидания пользователя. Команды, работающие в разных локациях, могут независимо работать над одним и тем же проектом, разделяя физические объекты через цифровые каналы и распечатывая их на одних и тех же принтерах.

Функциональные детали для широкого круга приложений

Пластики SLA обладают широким спектром характеристик, которые подходят для решений от проектирования до стоматологии и ювелирного дела. Материалы могут быть термостойкими, биосовместимыми, оптически чистыми, соответствовать параметрам инженерных пластиков.

Образующиеся между слоями SLA-объекта химические связи позволяют создавать полностью плотные, водо- и воздухонепроницаемые детали, которые изотропны, то есть имеют равную прочность по всем направлениям.

Цены и преимущества

Точные прототипы, быстрые итерации и раннее выявление ошибок - все это приводит к лучшему конечному результату и снижает риски при переходе от прототипирования к производству. В промышленности технология SLA уменьшает потребность в дорогой механической обработке, делая доступными мелкие партии и кастомизированную продукцию. Это касается и строительства мостов, и изготовления ювелирных или стоматологических изделий.

Промышленные SLA-принтеры стоят от $80 000 и требуют наличия обученного персонала и обязательного договора на обслуживание. Настольные SLA-принтеры, будучи просты в работе, предлагают качество и функциональность промышленных систем, занимая совсем немного места. Они стоят от $3500.

По сравнению с возможностями заказа на стороне или традиционной механической обработкой домашняя 3D-печать с учетом материалов, резервуаров, аксессуаров, обслуживания, труда и износа снижает расходы на 50-90%. В случае настольных SLA характерным временем получения результата являются часы, а не дни или недели, как при заказе того же проекта на стороне.

Сравнение технологий

Сегодня существуют три распространенных технологии 3D-печати пластиком. При послойном наплавлении (FDM) нити термопластика выкладываются на рабочую поверхность, при стереолитографии (SLA) жидкая фотополимерная смола затвердевает под воздействием источника света, при селективном лазерном спекании (SLS) порошкообразный материал спекается лазером.

Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки, поэтому каждая из них рекомендуется для различных приложений.

Процесс печати

Теперь, когда мы знаем теорию, на которой основана стереолитография, давайте рассмотрим процесс печати на настольном SLA-принтере.

Проект

Воспользуйтесь обычной CAD-программой для проектирования своей модели и экспортируйте результат в печатаемый 3D-формат. Фото: formlabs.com

Как и в случае с любым другим процессом 3D-печати, SLA начинается с трехмерного моделирования, математического представления трехмерной поверхности. Это можно сделать с помощью CAD-программы или на основе данных 3D-сканирования. Затем модель экспортируется в файл формата.STL или.OBJ, который понимает программа, занимающаяся подготовкой данных для 3D-принтера.

Подготовка

Подготовьте свою модель в программе для SLA 3D-принтера. Фото: formlabs.com

К каждому SLA-принтеру прилагается программа для установки параметров печати и нарезки цифровой модели на слои для печати. В настройках можно изменять ориентацию объекта, опорные структуры, толщину слоя и материал. Когда настройка завершена, программа отправляет на принтер инструкции по беспроводной связи или по кабелю.

Печать

Процесс стереолитографической печати. Фото: formlabs.com

После быстрого подтверждения правильности настроек начинается процесс печати, и принтер до завершения работы можно предоставить самому себе. В принтерах с системой картриджей материал добавляется автоматически, в иных случаях и при больших объемах для этого может потребоваться вмешательство.

Очистка

Очистите распечатку изопропиловым спиртом (ИПС), чтобы удалить неотвержденный пластик. Фото: formlabs.com

Когда процесс печати завершен, рабочую платформу можно извлечь из принтера. Распечатку надо очистить изопропиловым спиртом (ИПС), чтобы удалить с поверхности неотвержденный пластик.

Закалка

Подвергните деталь доотверждению для улучшения качества материала. Фото: formlabs.com

Объекты, напечатанные функциональным пластиком, требуют доотверждения в ультрафиолетовой камере, чтобы завершить процесс полимеризации и стабилизировать механические свойства.

Доводка

Обрежьте подпорки и зачистите поверхность. Фото: formlabs.com

После просушки и закалки опорные структуры легко обрезаются, после чего поверхность нужно зачистить. Напечатанные по технологии SLA детали, если нужно, легко поддаются дальнейшей обработке, в том числе механической, их можно также загрунтовать, покрасить или задействовать в сборных конструкциях.

Она же 3D печать SLA, является не только одной из первых в мире, но и одной из самых точных методик аддитивного производства. В некотором роде она уникальна, ведь в ней в качестве расходного материала применяется жидкая . Суть технологии заключается в засветке фотополимера по определенному алгоритму (заданному программой-слайсером на основе 3D модели). Под воздействием лазерного излучения смола застывает, формируя готовый объект.

Как и в , 3D печать SLA параллельно с построением объекта требует построения поддерживающих структур при наличии в модели нависающих элементов. По сути, эта методика напоминает SLS 3D печать, но вместо порошка выступает жидкий фотополимер. В остальном это то же самое послойное воспроизведение изделий по заданным . Более подробно о том, как функционирует 3D печать SLA, мы расскажем ниже.

Особенности работы

Для того, чтобы понять, как происходит процесс 3Д печати, необходимо разобраться с тем, как устроен SLA . В этом вам поможет изображение, прикрепленное ниже, на котором изображена схема классического стереолитографического принтера. Мы говорим классического, потому что именно таковой является запатентованная технология SLA печати. Такая конструкция также применяется в для 3Д печати SLA. Что касается уже вошедших в употребление настольных SLA 3D принтеров, в них используется так называемая «3D печать SLA вверх-ногами». Что это значит?

Сперва опишем процесс печати на изображении выше. В нем лазер расположен сверху, а рабочая платформа постепенно опускается вниз. Итак, в емкость с фотополимером погружается сетчатая платформа, на глубину не более 0,05-0,13 мм (именно таковой является толщина слоя). После чего активируется лазер, оказывающий воздействие на определенные участки материала (заданные программой). Воздействие лазерного излучения вызывает затвердение первого слоя фотополимера. Далее платформа опускается еще на слой ниже, лазер снова активируется, продолжая формировать объект, и так до окончательного построения изделия.

Что касается процесса , применяемого в настольных , принцип абсолютно тот же. С той лишь разницей, что лазер расположен под емкостью с фотополимером, а при построении изделия платформа не опускается, а постепенно поднимается вверх. Общим для обоих вариантов является промывание изделия в специальных растворах по завершению 3Д печати, а также облучение готовой модели ультрафиолетовым светом. Первое нужно для окончательной очистки изделия от остатков фотополимера, а второе для полного отверждения изделия.

Отличия от DLP 3D печати

На основе SLA 3D печати разработано несколько других методик, одной из которых является DLP 3D печать. Ввиду обретения последней достаточной популярности, мы сочли целесообразным сказать несколько слов и о ней. Принципиальной разницы между этими методиками нет, но о некоторых отличиях следует упомянуть. Итак, чем же 3D печать SLA отличается от DLP 3D печати? Все очень просто: вместо лазера в DLP 3Д принтерах используется проектор, который засвечивает целый слой одновременно, а не постепенно, как лазер в стереолитографии.

Считается, что за счет этого DLP печать позволяет воспроизводить объекты немного быстрее. Однако эта разница не настолько велика, чтобы вытеснить стереолитографические принтеры с рынка 3D печати. Кроме того, в 3D-принтерах DLP применяются фотополимерные смолы с другой длиной волны засветки, а качество 3Д-печати на некоторых моделях уступает качеству печати SLA-принтеров. Но, повторимся, существенных различий между технологиями нет.

Применяемые материалы

Как мы писали выше, в 3D принтерах, работающих по технологии лазерной стереолитографии, применяются жидкие фотополимерные смолы, называемые еще фотополимерами. Это особые вещества, которые меняют свои свойства под воздействием света. Чаще всего активным излучением является ультрафиолетовое. Дантистам хорошо знаком термин «фотополимер», ведь аналогичные вещества широко применяются в стоматологической практике. По сути, это тот случай, когда одной вещи нашлось несколько различных применений.

Какие же фотополимеры использует 3D печать SLA? Разнообразнейшие. Даже на рынке настольных 3D принтеров сегодня можно найти и , и , и фотополимерные смолы всех цветов и оттенков. Конечно, ассортимент еще не настолько широк, как, к примеру, в FDM 3D печати, но именно 3D печать SLA и расходные материалы к ней находятся на втором месте по популярности среди пользователей.

Стереолитография или SLA (от Stereolithography) одна из наиболее известных и точных технологий 3Dпечати. Она была разработана одной из первых: Чарльз Холл в 1983 году получил авторский патент, а еще через два года основал компанию, которая сегодня является флагманом в мире 3D-технологий - 3DSystems.

Принцип работы SLA печати

Строительным материалом втехнологииSLAявляется фотополимерная смола, которая имеет свойство затвердевать под воздействием специального излучения. Для того чтобы начать процесс 3D-печати сначала необходимо компьютерную модель с помощью программного обеспечения «порезать» на тонкие горизонтальные слои, точная геометрическая форма коих будет сохранена в виде так называемого g-кода, который понятен для SLA3Dпринтера. Далее эти данные с компьютера отправляются на устройство прототипирования.

Традиционная конструкция 3Dпринтера, работающего по технологии SLA, приведена на рисунке выше. Первоначально камера построения (ванна) заполнена фотополимерным жидкимматериалом, а рабочая платформа находится в нескольких микронах от поверхности жидкости. При помощи подвижной системы линз и зеркал сфокусированный луч начинает перемещаться по поверхности платформы, описывая каждую линию будущего изделия, при этом фотополимер отвердевает. После завершения процесса рабочая платформа опускается, сверху по ней проходит разравниватель, который наносит вязкий фотополимер тонкойпленкойна поверхностьдетали и лазер обрисовывает очередной слой.

После окончания построения детали ее могут помещать в специальную жидкость для очистки. Также, как правило, в целях сокращения времени прототипирования при построении степень полимеризацию не доводят до 100 %, поэтому зачастую готовое изделие дополнительно помещают в камеру «дооблучения», где на него воздействуют более мощным световым потоком. Стоит отметить, что точность изготовления моделей может находиться на неимоверно высоком уровне, ведь толщина слоя в некоторых 3D-принтерах достигает 10 микрон!

Технологии на основе стереолитографии

Стереолитографию, как и другие перспективные технологии 3D печати, за 30 лет существования пытались всячески усовершенствовать. Сегодня скопилось неимоверное количество полных клонов и частичных двойников SLA технологии, такая картина связана с нежеланием использовать чужие патенты. Если же рассматривать существенные отличия, то стоит выделить, пожалуй, только одну технологию, использующей для засветки ультрафиолетовые DLP проекторы, которые проецируют на поверхность смолы не тонкий луч, а сразу все изображение слоя.

Совсем недавно изобретатели в компании Carbon3D, используя DLP 3D принтер,смогли достичь ранее невозможной для стереолитографии скорости печати, время построения уменьшилось от 20 до 100 крат! Свою технологию они назвали CLIP (Continuous Liquid Interface Production). Революционной оказалась идея проецирования изображений слоев не отдельными картинками, а анимацией (как мультик). При этом и платформа двигается не мелкими шагами с остановками, а непрерывно, синхронно с показом «мультика». На видео ниже можно посмотреть, как модель, на производство которой раньше ушли бы часы, сегодня выращивается за 6 минут.

Используемые материалы и сферы их применения

В стереолитографии для печати на 3Dпринтерах используются фотополимерные смолы. В связи с тем, что технология печати довольно сложная, а характеристики различных устройств прототипирования могут значительно отличаться очень часто для печати на принтере конкретной компании может использоваться только смола этого же производителя. Поэтому, выбирая SLA 3D принтер, нужно быть очень внимательным к перечню поддерживаемых материалов и их свойствам.

Среди всех характеристик различных материалов внимание нужно уделить следующим их свойствам:

• Прочность. Имеет множество направлений: изгиб, разрыв, твердость при нажатии.
• Степень усадки. Чем она больше, тем сильнее внутренние напряжения в готовой модели и тем более она подвержена разрушению при физическом воздействии в направлении слоев.
• Эластичность. Существуют материалы, неплохо имитирующие резину.
• Срок жизни. Фотополимерные свойства смолы подразумевают химическую реакцию под воздействием солнечного света. Некоторые SLA-смолы не живут дольше 1 года, другие же (особенно с наполнителями) могут служить намного дольше.
• Токсичность. При контакте с кожей некоторых смол как в жидком, так и в твердом виде может возникать небольшое раздражение.
• Время засветки. Одна из основных характеристик в стереолитографии, влияющих на возможность использования смолы на том или ином 3D-принтере.
• Спектр засветки. Есть SLA-смолы, хорошо реагирующие на обычный белый свет. Хранение их нужно производить исключительно в темном и прохладном месте.
• Образование гари при выжигании. Эта характеристика имеет значение при создании выжигаемых мастер-моделей в ювелирной и стоматологической сферах, в которых DLPи SLA 3D принтеры наиболее часто используются.

Небольшой обзор популярных моделей 3D-принтеров

На сегодняшний день уже несколько российских компаний успешно выпускают и продают собственные аппараты, работающие по технологии стереолитографии, одна из которых (Мастерская Чурюмова) даже поставляет их в виде конструктора «Сделай сам» (DIY-kit). Что касается многочисленных западных аналогов, то, во-первых, стоимость большинства из них исчисляется миллионами (например, ProJet 6000 HD стоит 23 041 000 руб.), а во-вторых, их практически нет в России. Ниже представлена таблица с основными характеристиками и ориентировочными ценами.

Аддитивные технологии, 3D печать - это инновационный способ послойного получения (выращивания) единичных изделий различного уровня сложности и функционального предназначения из широкого спектра материалов. Данная технология позволяет получить сверхсложные модели из различных материалов на одном устройстве и практически лишена отходов производства в отличие от классических методов субтрактивной обработки заготовок (методом отсечения или вычитания лишнего материала). 3D принтеры имеют различные функциональные возможности в зависимости от позиционирования для различного применения (домашнее использование, начальное и среднее образование, реклама и дизайн, медицина, наука, опытное и промышленное производство), что определяет их цену, сроки производства и требования к уровню обслуживающего персонала. Самый простой 3D принтер можно даже создать в домашних условиях (из конструктора) или напечать на другом 3D принтере для него необходимые части. Однако, возможности такого устройства 3D печати будет сильно отставать по функциональности от профессиональных систем 3D прототипирования.

FDM- Fused Deposition Modeling (пластик)

Данная технология аддитивного производства, широко используемая при создании трехмерных моделей, при прототипировании и в промышленном производстве. Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за счет нанесения последовательных слоев расплавленного полимерного материала, повторяющих контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.

Изделие, или «модель», производится выдавливанием («экструзией») и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. Пластиковая нить разматывается с катушки и подается в экструдер - устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для ее плавления и соплом, через которое осуществляется экструзия. Экструдер перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях под контролем алгоритмов, аналогичных используемым в станках с числовым программным управлением. Сопло перемещается по траектории, заданной системой автоматизированного проектирования (САПР / CAD). Модель строится слой за слоем, снизу вверх. Как правило, экструдер (также называемый «печатной головкой») приводится в движение пошаговыми моторами или сервоприводами. Наиболее популярной системой координат, применяемой в FDM, является Декартова система, построенная на прямоугольном трехмерном пространстве с осями X, Y и Z.

Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. Хотя создание нависающих структур возможно при небольших углах наклона, в случае с большими углами необходимо использование поддерживающих структур, как правило, создающихся в процессе печати и отделяемых от модели по завершении процесса.

В качестве расходных материалов доступны всевозможные термопластики и композиты, включая ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, лигнин и многие другие. Как правило, различные материалы предоставляют выбор баланса между определенными прочностными и температурными характеристиками.

Моделирование методом послойного наплавления (FDM) применяется для быстрого прототипирования и быстрого производства. Быстрое прототипирование облегчает повторное тестирование с последовательной, пошаговой модернизацией объекта. Быстрое производство служит в качестве недорогой альтернативы стандартным методам при создании мелкосерийных партий. Среди используемых материалов числятся ABS, полифенилсульфон, поликарбонат и полиэфиримид. Эти материалы ценятся за термостойкость. Некоторые варианты полиэфиримида, в частности, обладают высокой огнеупорностью, что делает их пригодными для использования в аэрокосмической отрасли.

FDM является одним из наименее дорогих методов печати, что обеспечивает растущую популярность бытовых принтеров, основанных на этой технологии. В быту 3D-принтеры, работающие по технологии FDM, могут применяться для создания самых разных объектов целевого назначения, игрушек, украшений и сувениров.

Предлагаемое оборудование: ,

PolyJet - стереолитография (фотополимер)

Технология печати PolyJet — это мощный метод аддитивного производства, с помощью которого можно создавать точные, гладкие прототипы, детали и инструменты. Благодаря толщине слоев в 16 микронов и точности до 0,1 мм можно создавать тонкие стенки и сложные геометрические формы с использованием широчайшего спектра материалов.

Трехмерная печать PolyJet похожа на струйную печать, но вместо струйной подачи чернил на бумагу 3D-принтеры PolyJet выпускают струи жидкого фотополимера, который образует слои на модельном лотке.

3D-принтер наносит и, с помощью УФ-излучения, закрепляет небольшие порции жидкого фотополимера. Тонкие слои ложатся последовательно в модельном лотке и образуют одну или несколько трехмерных моделей или деталей. Если для определенных деталей требуется опора, 3D-принтер наносит удаляемый вспомогательный материал. Вспомогательный материал легко удаляется руками, водой или в специальном растворителе. Модели и детали готовы к использованию сразу по извлечении из 3D-принтера, не требуется никакая дополнительная фотополимеризация

Предлагаемое оборудование:

SLA (керамика)

Технология 3d печати изделий из керамики по способу отверждения слоев при печати относится к стереолитографии. В основе технологии 3d печати керамических изделий лежит метод послойного отверждения УФ лазером специальной керамической пасты - смеси фотополимера с керамическим порошком. После того как деталь построена, она очищается от остатков неполимеризованной пасты и промывается в специальном сольвенте. После 3d печати деталь должна пройти этап выжигания фотополимера, который фактический выступает в роли временного связующего.

Выжигание происходит в печи при температуре ~600 С. Когда фотополимер удален деталь снова погружается в печь для осуществления процесса спекание керамики, который происходит при температуре до 1.750 C в зависимости от материала. Несмотря на то, что технология позволяет получать достаточно хорошее качество поверхности (шероховатость Ra 1…2 мкм), на всех промежуточных этапах деталь может быть подвергнута механической обработке.

Плюсы:

• оперативное изготовление деталей из керамики
• соответствие свойств изделий характеристикам керамических материалов (чистота 99.2% - 99.4%)
• отсутствие необходимости изготовления оснастки

Минусы:

• технология предусматривает усадку, которую необходимо компенсировать при подготовке файла
• толщина стенок изделий не может превышать 4 мм
• достижимая геометрическая точность до +/-1%

Предлагаемое оборудование:

LaserCUSING ® - Direct Metal Laser Melting (DMLM) (металл)

Технология послойного селективного лазерного плавления металлических порошков LaserCUSING ® используется для аддитивного производства деталей сложной конструкции и занимает особое место в металлообработке, благодаря возможности безотходного изготовления без металлорежущих инструментов опытно-конструкторских образцов или серийных изделий из широкого спектра реактивных и нереактивных металлических порошков, в том числе российского производства.

Принцип работы систем аддитивного производства Concept Laser ® заключается в выборочном плавлении тонкого слоя металлического порошка лучом лазера в соответствии с геометрией сечения детали, соответствующей каждому слою порошка. Запатентованная уникальная технология «стохастического» перемещения лазерного луча в процессе плавления позволяет уменьшить внутренние напряжения металла в готовом изделии и изготавливать детали больших размеров.

Благодаря высокому качеству поверхности и прочности изготавливаемых деталей, а также открытости систем аддитивного производства Concept Laser ® к применению металлических порошков любых производителей, они активно используются в ракетно-космической, авиационной и автомобильной промышленности, энергетике, электротехнике, транспортном машиностроении и медицине, где к качеству изделий предъявляются особые требования.

Основные преимущества аддитивной технологии LaserCUSING ® :

• Изготовление сложных металлических деталей с требуемыми характеристиками из сертифицированных промышленных материалов
• Безотходное производство
• Сокращение времени и финансовых затрат на выполнение НИОКР и серийное производство
• Повышение эффективности и автоматизации производства

Минусы:

• Использование металлических порошков сферической формы с ограничениями по размеру частиц, фракции от 20 до 80 мкм.

Предлагаемое оборудование: ®

Газовая атомизация металлических порошков для аддитивного производства

Распыление расплава является относительно простым и дешевым технологическим процессом производства порошков металлов с температурой плавления примерно до 1600 ºС. Наиболее распространено распыление газовым потоком. При такой схеме распыления на свободно истекающую струю металлического расплава направлен под углом к ее оси кольцевой газовый поток, создаваемый соплами, как бы охватывающими струю металла. В месте схождения всех струй газового потока, называемом «фокусом распыления», происходит разрушение струи расплава в результате отрыва от нее отдельных капель. На средний размер и форму образующихся частиц влияют мощность и температура газового потока, диаметр струи, температура, поверхностное натяжение и вязкость расплава. Кроме того, очень важно, в какой среде производят распыление, а также конструктивное оформление
форсуночного устройства. В качестве газа используют инертный газ (азот, аргон, гелий) или воздух.

При распылении инертным газом, форма частиц получаемого порошка всегда сферическая, иногда с прилипшими частицами - «спутниками». Сферическая форма обеспечивает более высокую плотность паковки и хорошие свойства текучести. Если используется воздух, то форма частиц зависит от оксидных характеристик. Например: порошки из латуни и алюминия - неправильной формы, а медные порошки почти сферические. При использовании инертных газов можно свести к минимуму окисление. Однако, существуют ограничения для таких металлов и их сплавов как Al и Mg, у которых оксидные пленки трудно, а иногда и опасно удалять. В результате же распыления воздухом получают значительное окисление. Но и при распылении инертным газом в камере распыления всегда присутствуют пары воды, создающие окислительную атмосферу. В связи с этим частицы порошка загрязнены кислородом, азотом и водородом. Для улучшения свойств и удаления указанных примесей порошки, как правило, подвергают отжигу в восстановительной атмосфере.

Прелагаемое оборудование:

3D-сканер — это инновационное устройство, предназначенное для быстрого анализа геометрических параметров физического объекта и создания его точной компьютерной 3D-модели. Современные трехмерные сканеры способны всего за несколько минут произвести оцифровку любого предмета с точностью до 20-50 микрон.

Они могут быть использованы для решения широкого круга задач во многих областях промышленности, науки, медицины и искусства. В частности, с помощью 3D-сканеров успешно решают задачи реверс-инжиниринга, контроля качества, сохранения культурного наследия, используются в музейном деле, в медицине, дизайне, проектировании, архитектуре, ювелирном производстве. Трехмерные сканеры позволяют упростить и улучшить ручной труд, а порой даже выполнить задачи, которые ранее казались невозможными.

Как правило, 3D-сканер представляет собой небольшое электронное устройство, ручное (весом до 2 кг) или стационарное, которое использует в качестве подсветки лазер, лампу или светодиоды. Существуют модели 3D-сканеров, предназначенные для сканирования объектов различных типов и размеров, будь то ювелирные изделия, детали машин, лица людей или здания. Точность получаемых моделей варьируется от десятков до сотен микрон. Возможно сканирование с передачей цвета и текстуры объекта или только формы.

Предлагаемое оборудование:

Автоматизированные линии неразрушающего контроля Falcon-Vision

Что такое быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование (RP - Rapid Prototyping) позволяет за короткое время производить физические модели с помощью 3D данных систем автоматизированного проектирования (CAD). Используемое в широком спектре отраслей, быстрое прототипирование позволяет эффективно и оперативно превращать инновационные идеи в успешную конечную продукцию.

Быстрое прототипирование: немного истории

Системы быстрого прототипирования появились в 1987 году с внедрением технологии стереолитографии — процесса, в ходе которого слои жидкого полимера, чувствительного к ультрафиолету, затвердевают под воздействием лазера. В последующие годы появились другие технологии быстрого прототипирования, такие как моделирование методом послойного наложения расплавленной полимерной нити (FDM - Fused Deposition Modeling), селективное лазерное плавление (Технология SLM - Selective laser melting или LaserCUSING) и послойное отверждение фотополимеров (PolyJet). Самая первая в отрасли 3D-система быстрого прототипирования, основанная на технологии FDM, была представлена в апреле 1992 года компанией Stratasys. Первые 3D системы быстрого прототипирования на основе технологии быстрого отверждения фотополимера были запатентованы в 1999 году компанией EnvisionTEC. В 2000 году после успешного применения установок селективного лазерного плавления для своих задач внутри структуры Hofmann Innovation Group, была выделена в отдельное направление компания и начаты коммерческие поставки установок лазерного плавления металла.

Быстрое прототипирование: основные этапы

Процесс начинается с получения данных виртуального проектирования (CAD). Машина для 3D печати считывает данные с трехмерной модели CAD и накладывает последовательные слои жидкого, порошкового или листового материала — создавая физическую модель. Эти слои, которые соответствуют виртуальным профилям геометрии модели CAD, автоматически соединяются для создания окончательной формы. Быстрое прототипирование использует стандартный интерфейс данных, внедренный в виде формата файлов STL, для перевода с формата программного обеспечения CAD в формат машины 3D прототипирования. Форма детали или сборки примерно оценивается в файле STL с помощью треугольных граней, описывающих поверхностную геометрию объекта. Обычно системы быстрого прототипирования способны создавать 3D модели в течение нескольких часов. Однако время создания может сильно различаться в зависимости от типа используемой машины, материала и размера и количества производимых моделей.

Быстрое прототипирование: преимущества:

• Быстрое и эффективное распространение дизайнерских идей
• Эффективную проверку соответствия, формы и функциональности конструкции
• Большую гибкость дизайна с возможностью быстрого перехода между его многочисленными этапами
• Сокращение сроков выполнения НИОКР и расходов на ввод новых изделий в промышленное производство
• Возможность проведения оперативных испытаний свойств изделий для разработки новых материалов и получения новых свойств продукции
• Уменьшение числа ошибок в дизайне продукции и более высокое качество конечных изделий

Материалы для 3d печати

Сейчас устройства 3D печати способны изготавливать объекты практически из любых материалов - воск, гипсовый порошок, фотополимер, термопластики и даже получать детали из настоящих металлов. Системы аддитивного производства позволяют печатать детали из титана, алюминия, вольфрама, стали, золота и других, в том числе, разработанных в России и сертифицированных для применения в отечественной промышленности. Принтеры Stratasys работают как с материалами, обладающими свойствами настоящих термопластиков различных сортов, выдерживающих высокие нагрузки и температуры, так и с фотополимерами, способными передавать мельчайшие элементы дизайна и фактуры.
Огромное разнообразие материалов позволяет использовать трехмерные принтеры уже не только для изготовления прототипов, но и для производства мелких серий или единичных изделий.

Выбрать модель 3D принтера или 3D сканера Вы можете в нашем .

Получить подробную информацию о конфигурациях 3D оборудования, ценах и выполнить тестовую печать можно, по телефону или путем заполнения формы обратной связи.

Мы ценим Ваше внимание и стремися соответствовать Вашим ожиданиям!

Ч.Халлом, основатель фирмы «3D Systems», известен тем, что ввел термин «стереолитография». Эта технология дает возможность изготавливать максимально точные и сложные изделия, применяемые в SLA-материалы выгодно отличаются прочностью, влагостойкостью, прозрачностью, легкостью обработки, возможностью склеивания и покраски.

", "С помощью SLA можно строить изделия практически любых габаритов быстро и точно. Шаг построения определяет качество поверхности. Самые современные принтеры Project имеют высочайшую точность среди аналогов и выдерживают толщину слоя в пределах 0,025 - 0,05 мм. Данная технология позволяет SLA-принтерам создавать прочные изделия с гладкой поверхностью и отчетливой проработкой мельчайших деталей. Среди недостатков можно выделить низкую скорость изготовления.

Алгоритм создания 3Д-моделей принтером по технологии SLA:
1. Строительная платформа погружается в резервуар с жидким, чувствительным к свету фотополимером.
2. Над резервуаром расположен ультрафиолетовый лазерный луч, который вырисовывает на поверхности фотополимера контуры 1-го слоя изделия.
3. Ультрафиолетовый лазер заставляет фотополимер затвердевать в местах прохождения луча. После затвердевания фотополимер превращается в очень прочный пластик.
4. Потом происходит погружение строительной платформы в резервуар на глубину, равную толщине слоя, чтобы жидкий фотополимер снова покрыл верхнюю часть изготавливаемого изделия.
5. Лазер снова очерчивает на жидком фотополимере очередной слой изделия, происходит повтор процесса. И так - слой за слоем - формируется нужный объект.

Преимущества 3D принтеров на SLA-технологии определяются особенностями жидкого материала поддержки:

а) возможная деформация платформы не влияет на равномерность толщины слоя;

б) выступы, консоли на краях модели стабилизированы;

в) не допускается расслаивания в проблемных местах изделия;

г) извлекать изделие из резервуара просто.