Технологии SLA и DLP: сравнение 3D-принтеров в 2020 году

Сегодня на рынке доступны разнообразные технологи 3D-печати. Ознакомление с нюансами каждой из них помогает понять, чего можно ожидать от окончательных моделей, и решить, какая технология подходит именно вам.

Стереолитография (SLA) и цифровая обработка света (DLP) — две самые распространенные технологии 3D-печати с использованием полимеров. 3D-принтеры, в которых в качестве расходных материалов применяются полимеры, стали очень популярными благодаря способности изготавливать высокоточные, изотропные и водонепроницаемые прототипы и модели, отличающиеся высокой детализацией и гладкой поверхностью. 

Если раньше эти технологии были сложными и непомерно дорогими, то сегодня компактные настольные SLA- и DLP-принтеры производят детали промышленного качества по доступной цене и отличаются огромной гибкостью применения благодаря широкому спектру материалов.

Оба этих процесса выборочно воздействуют на жидкий полимер источником света: SLA — лазером, DLP — проектором, формируя очень тонкие твердые слои пластика, которые складываются в твердотельный объект. Хотя принцип действия этих технологий очень похож, они могут давать существенно отличающиеся результаты.

В этом подробном руководстве мы расскажем об особенностях этих двух процессов 3D-печати и рассмотрим, как они отличаются в плане разрешающей способности, точности, объема печати, скорости, рабочих процессов и т. д.

Настольные стереолитографические 3D-принтеры содержат резервуар для полимеров с прозрачным дном и неадгезионной поверхностью, которая служит основанием для отверждения жидкого полимера, позволяющим аккуратно отделять новообразованные слои. 

Процесс печати начинается с того, что платформа опускается в резервуар для полимеров, оставляя свободное пространство, соответствующее высоте слоя между платформой или последним законченным слоем и дном резервуара. Луч лазера подается на два зеркальных гальванометра, с помощью которых он поступает в нужные координаты на серии зеркал. Это позволяет подавать наверх через дно резервуара сфокусированный пучок света, под воздействием которого затвердевает слой полимера. 

Затем отвержденный слой отделяется от дна резервуара, и платформа поднимается выше, а в освободившееся пространство поступает жидкий полимер. Этот процесс повторяется до завершения печати. 

Технология стереолитографии низкой силы отрыва (LFS), используемая в принтерах Form 3 и Form 3L — это новый этап в развитии стереолитографической 3D-печати. 

В 3D-принтерах на основе технологии LFS оптические компоненты находятся в блоке обработки света (LPU). Внутри блока LPU гальванометр позиционирует лазерный луч высокой плотности в направлении оси Y, пропускает его через пространственный фильтр и направляет в отклоняющее и параболическое зеркало, чтобы луч всегда оставался перпендикулярным плоскости платформы, гарантируя точность и воспроизводимость печати. 

По мере движения LPU в направлении оси X напечатанная модель осторожно отделяется от гибкого дна резервуара, что позволяет значительно снизить силы, воздействующие на модели во время процесса печати.

3D-печать на основе технологии LFS значительно снижает усилия, которые воздействуют на детали во время процесса печати, за счет использования гибкого резервуара и линейного освещения для обеспечения невероятного качества поверхности и точности печати. 

Эта усовершенствованная технология стереолитографии отличается более высоким качеством поверхности и точностью печати. Более низкое усилие отрыва при печати также позволяет создавать легкие опорные конструкции, которые можно отделять без усилий, а сам метод открывает широкие возможности для дальнейшего развития прогрессивных материалов, готовых к производству. Узнать больше о стереолитографической 3D-печати

В настольных DLP-принтерах используется резервуар для полимеров с прозрачным дном и платформа, которая спускается в резервуар для послойной печати моделей, расположенных вверх дном. В этом они не отличаются от стереолитографических 3D-принтеров.

Разница между ними заключается в источнике света. В 3D-принтерах на основе технологии DLP применяется цифровой экран, проецирующий изображение слоя на всю платформу, в результате чего все нужные точки затвердевают одновременно. 

Свет отражается на цифровом микрозеркальном экране (DMD) — динамической маске, состоящей из микроскопических зеркал, которые расположены в матрице на полупроводниковом чипе. Быстрое переключение этих крошечных зеркал между линзами, направляющими свет на дно резервуара или радиатора, определяет координаты, в которых жидкий полимер должен затвердевать для формирования текущего слоя. 

Поскольку проектор представляет собой цифровой экран, изображение каждого слоя состоит из квадратных пикселей, в результате чего получается трехмерный слой из прямоугольных кубиков, называемых вокселями.

В характеристиках 3D-принтеров разрешающей способности уделяют больше всего внимания, но это часто приводит к путанице. Основные единицы процессов SLA и DLP — различные формы, что затрудняет сравнение принтеров только по числовым характеристикам.

В 3D-печати нужно учитывать три измерения: два плоскостных двумерных измерения (X и Y) и третье вертикальное измерение Z, с помощью которого и осуществляется трехмерная печать.

Разрешающая способность измерения Z определяется толщиной слоя, который может напечатать 3D-принтер. Принтеры на основе технологий SLA и DLP отличаются одной из лучших разрешающих способностей Z по сравнению с другими процессами, что позволяет печатать слои с минимальной толщиной. Как правило, пользователи могут установить высоту слоя на уровне 25–300 мкм, благодаря чему разработчики могут достичь компромисса между уровнем детализации и скоростью. 

В DLP-принтерах разрешающая способность XY определяется размером пикселя — наименьшей деталью, которую проектор может воспроизвести в одном слое. Оно зависит от разрешающей способности проектора (самая распространенная — Full HD (1080p)) и его удаленности от оптического стекла. Поэтому большинство настольных DLP-принтеров имеет постоянную разрешающую способность XY от 35 до 100 мкм.

В стереолитографических 3D-принтерах разрешающая способность XY определяется на основании размера лазерного пятна и величины шагов, с помощью которых можно управлять лучом. Например, в 3D-принтере Form 3 на основе технологии LFS установлен лазер с размером пятна в 85 мкм, но благодаря постоянному процессу линейного сканирования лазер может двигаться с меньшим шагом, и принтер может на постоянной основе печатать модели с разрешающей способность XY в 25 мкм.

Сама по себе разрешающая способность — часто только показатель тщеславия. Оно дает определенное представление о характеристиках, но не обязательно напрямую соответствует точности и качеству печати.

Узнать больше о разрешающей способности в 3D-печати в нашем подробном руководстве.

Так как 3D-печать — это аддитивный процесс, нарушения могут потенциально возникнуть в каждом слое. Процесс формирования слоев влияет на уровень точности и правильность каждого слоя. Точность и аккуратность зависят от многих факторов: процесса 3D-печати, материалов, параметров программного обеспечения, пост-обработки и т. д. 

В целом, SLA- и DLP-принтеры относятся к самым точным. Различия в точности печати часто лучше заметны между принтерами разных производителей, чем между самими технологиями.

Например, в SLA- или DLP-принтерах начального уровня могут использоваться готовые проекторы, лазеры или гальванометры, и их производители стараются добиться от этих деталей оптимальных эксплуатационных характеристик. В профессиональных SLA- и DLP-принтерах (например, Formlabs Form 3) установлена специальная оптическая система, которая отрегулирована в зависимости от потребностей пользователей.

Точность играет решающую роль для таких деталей, как зубные капы (слева) и хирургические шаблоны (справа). 

Не менее важна и калибровка. При использовании DLP-проекторов, производители сталкиваются с неравномерным распределением света на платформе и оптическими искажениями линз, а это означает, что размеры и форма пикселей в середине и по краям различаются. В стереолитографических 3D-принтерах для всех частей модели используется один источник света, что обеспечивает однородность, но их все равно нужно тщательно калибровать, чтобы избежать искажений.

Даже на 3D-принтере с лучшими компонентами и оптимальной степенью калибровки можно получать разные результаты в зависимости от используемых расходных материалов. Для обеспечения наилучшего качества приходится изменять параметры полимеров, но они могут быть недоступны для новых материалов, которые не прошли надлежащие испытания с соответствующей моделью 3D-принтера.

Какой можно сделать из этого вывод? Зная только технические характеристики, невозможно получить полное представление о качестве. Лучший способ оценить 3D-принтер — изучить напечатанные на нем модели или попросить производителя изготовить тестовую модель по вашему проекту.

В DLP-принтерах существует обратная зависимость между разрешающей способностью и рабочим объемом. Разрешающая способность зависит от проектора, который определяет количество доступных пикселей/вокселей. Если переместить проектор ближе к оптическому стеклу, пиксели станут меньше, а разрешающая способность увеличится, но рабочая область будет ограничена. 

Некоторые производители устанавливают несколько проекторов рядом или используют 4K-проектор высокой четкости для увеличения рабочей области, но это значительно увеличивает стоимость. Цена таких моделей гораздо выше, чем у других настольных 3D-принтеров.

Поэтому DLP-принтеры, как правило, оптимизированы для определенных целей. Некоторые из них имеют меньшую рабочую область и позволяют производить в высоком разрешении такие мелкие и детализированные модели, как ювелирные изделия, в то время как другие могут печатать более крупные детали, но с меньшей разрешающей способностью. 

Процесс стереолитографии по своей природе более подвержен масштабированию, так как объем печати SLA-принтера не зависит от разрешения модели. Отдельная модель может иметь любой размер и разрешающую способность и располагаться в любом месте рабочей области. Это позволяет печатать крупные 3D-модели с высокой разрешающей способностью или большие партии мелких моделей с высокой степенью детализации для увеличения производительности принтера.

Еще одно препятствие для увеличения объема печати как в стереолитографических, так и в DLP-принтерах — это отделяющее усилие. При печати крупных моделей силы, прилагаемые к ним, возрастают экспоненциально по мере того, как отвержденный слой отделяется от резервуара. 

При печати по технологии LFS гибкая пленка в основании резервуара с полимером аккуратно отслаивается, когда платформа вытягивает модель вверх, что значительно снижает нагрузку на модель. Эта уникальная функция позволила значительно повысить объем печати в первом доступном крупноформатном принтере на основе стереолитографии — Form 3L.

Form 3L — это первый доступный крупноформатный 3D-принтер на основе стереолитографии с объемом печати 30 x 33,5 x 20 см.

Как стереолитографические, так и DLP-принтеры известны тем, что печатают модели с самым лучшим качеством поверхности по сравнению с решениями на основе других технологий. Когда мы говорим о различиях, то в большинстве случаев они видны только на очень мелких деталях и моделях с высокой степенью детализации.

Так как печать на 3D-принтерах осуществляется послойно, готовые модели часто имеют заметные горизонтальные линии. А из-за того, что технология цифровой обработки света предполагает использование прямоугольных вокселей, также может наблюдаться эффект вертикальных линий.

В DLP-принтерах для визуализации изображений применяются прямоугольные воксели, что может привести к появлению вертикальных линий. На этом изображении вертикальные воксельные линии показаны так, как они выглядят после печати (слева), и выделенными для лучшей заметности (справа).

Так как воксели прямоугольные, они влияют на форму изогнутых краев. Проведем аналогию с созданию круглой формы из конструктора LEGO — края будут иметь ступенчатую форму как по оси Z, так и на плоскости X-Y.

Из-за прямоугольной формы вокселей изогнутые края выглядят ступенчатыми. Для удаления видимых вокселей и линий слоев требуется пост-обработка, например шлифование.

При печати на 3D-принтерах на основе технологии LFS линии слоев практически не видны. В результате шероховатость поверхности уменьшается, что позволяет получить гладкую поверхность, а при использовании прозрачных материалов — модели с большей прозрачностью.

Рассуждая о скорости 3D-печати, важно учитывать не только саму скорость печати, но и производительность.

Общая скорость печати у 3D-принтеров на основе технологий SLA и DLP примерно одинакова. Поскольку проектор экспонирует каждый слой целиком, скорость 3D-печати по технологии DLP равномерна и зависит только от высоты модели, в то время как 3D-принтеры SLA формуют лазером каждую деталь. Как подтверждает практика, в результате стереолитографические 3D-принтеры становятся сопоставимыми по скорости или даже быстрее при печати одной мелкой или средней модели, тогда как DLP-принтеры быстрее печатают крупные цельные модели или несколько моделей, которые почти полностью заполняют пространство платформы. 

Но при этом не стоит забывать, что в принтерах на основе технологии DLP существует обратная зависимость между разрешающей способностью и рабочим объемом. Маленький DLP-принтер может быстро печатать мелкие модели или (малые) партии мелких моделей с высокой разрешающей способностью, но объем печати ограничивает размер модели и производительность устройства. Другое устройство с большим объемом печати может изготавливать более крупные модели или партии более мелких моделей быстрее, но с меньшей разрешающей способностью, чем стереолитографический принтер.

Имея стереолитографический 3D-принтер, все это можно делать на одном аппарате. При этом пользователи могут решать, что они в хотят оптимизировать в каждом конкретном случае: разрешающую способность, скорость или производительность.

Стереолитографические 3D-принтеры имеют больший объем печати, позволяют изготавливать модели партиями и печатать модели ночью, повышая производительность. 

Как и в случае с точностью, отличия рабочих процессов и доступных материалов больше зависит от принтера, чем от технологии. 

Большинство SLA- и DLP-принтеров поддерживают технологию Plug and play и позволяют легко заменять платформы и резервуары для полимеров. Некоторые более сложные модели поставляются с системой картриджей для автоматического пополнения резервуара жидким полимером, что требует меньшего внимания и облегчает печать в ночное время. 

Некоторые принтеры поставляются со своим программным обеспечением для подготовки 3D-моделей к печати (например, PreForm для стереолитографических 3D-принтеров Formlabs), в то время как другие производители предлагают готовые стандартные решения. Разные программные инструменты имеют различные функции, например, PreForm позволяет настраивать процесс печати «в один клик», действенные инструменты оптимизации плотности и размера поддерживающих структур, регулируемую толщину слоя, а также функции для экономии материалов и времени. К счастью, программное обеспечение можно загрузить и протестировать еще до покупки 3D-принтера.

3D-принтеры могут работать с широким ассортиментом полимерных материалов, предназначенных для различных целей.

Одно из главных преимуществ 3D-печати на основе полимеров — большое количество материалов, из которых можно изготовить модели для различных целей. Полимеры с различным составом имеют разнообразные характеристики: они могут быть мягкими или твердыми, содержать такие добавки, как стекло и керамика, или иметь специальные механические свойства, такие как высокая температура изгиба под нагрузкой или ударопрочность. 

Но при этом ассортимент поддерживаемых материалов зависит от конкретной модели 3D-принтера, поэтому мы рекомендуем уточнять эту информацию у производителя, прежде чем совершать покупку. 

Модели, напечатанные с использованием технологий SLA и DLP, требуют пост-обработки после печати. Во-первых, модели необходимо промыть в растворителе, чтобы удалить излишки полимера. В некоторых случаях, например для моделей из инженерных и биосовместимых материалов, также требуется финальная полимеризация. Для стереолитографических 3D-принтеров компания Formlabs предлагает решения по автоматизации этих этапов, что позволяет сэкономить время и трудозатраты.

И наконец, 3D-модели, напечатанные на поддерживающих конструкциях, требуют удаления таких конструкций. Это нужно делать вручную — процесс аналогичен как для SLA-, так и для DLP-принтеров. В 3D-принтерах на основе технологии LFS используются легкие поддерживающие структуры с очень маленькими точками контакта, что обеспечивает легкое отделение с минимальным оставлением следов.

Надеемся, что после того, как мы разобрались с различиями в технологиях и результатах печати, вам будет гораздо проще выбрать 3D-принтер, оптимально соответствующий вашим потребностям и рабочему процессу.

Чтобы узнать больше о стереолитографических 3D-принтерах нового поколения, ознакомьтесь с информацией об устройствах Form 3 и Form 3L на основе технологии LFS. 

Хотите увидеть получаемое качество своими глазами? Закажите образец печати, который доставят прямо в ваш офис.