Полное руководство по стереолитографической (SLA) 3D-печати

Стереолитография — это один из видов аддитивного производства. Она также известна как фотополимеризация в ванне или 3D-печать с использованием полимерной смолы. Приборы, в которых используются такая технология, имеют общий принцип работы: под воздействием источника света (лазера или проектора) жидкий полимер превращается в твердую пластмассу. Основные различия заключаются в расположении основных компонентов, таких как источник света, рабочая платформа и резервуар для полимеров.

Посмотрите, как выполняется стереолитографическая 3D-печать.

В стереолитографических 3D-принтерах используются светочувствительные отверждаемые материалы, называемые «полимерами». Когда стереолитографические полимеры подвергаются воздействию световых волн определенной длины, короткие молекулярные цепочки соединяются, в результате чего мономеры и олигомеры полимеризуются, образуя жесткие или гибкие модели.

Модели, напечатанные на принтерах SLA, имеют самое высокое разрешение и точность, самую четкую детализацию и самую гладкую поверхность по сравнению с другими технологиями 3D-печати, но главное преимущество этого метода заключается в его универсальности.

Производители материалов разработали инновационные формулы для стереолитографических полимеров с широким спектром оптических, механических и термических свойств, аналогичных свойствам стандартных, инженерных и промышленных термопластических смол.

Сравнение стереолитографической 3D-печати с двумя другими распространенными технологиями производства пластмассовых моделей: моделирование методом наплавления (FDM) и селективное лазерное спекание (SLS).

Узнайте, как перейти от проектирования к 3D-печати на стереолитографическом принтере Form 3. Посмотрите этот 5-минутный видеоролик, чтобы ознакомиться с основными принципами работы с принтером Form 3: от программного обеспечения и материалов до процессов печати и пост-обработки.

Процесс 3D-печати на основе технологии SLA появился в начале 1970-х годов, когда японский исследователь доктор Хидео Кодама изобрел современный многослойный подход к стереолитографии, в котором для отверждения светочувствительных полимеров используется ультрафиолетовое излучение. Термин «стереолитография» был придуман Чарльзом (Чаком) У. Халлом, который запатентовал эту технологию в 1986 году и основал компанию 3D Systems, чтобы организовать ее серийное производство. Халл описал этот метод как создание 3D-объектов с помощью последовательной «печати» тонких слоев материала, который становится твердым под воздействием ультрафиолетового излучения.

Но стереолитография не была первой технологией 3D-печати, получившей широкую популярность. В конце 2000-х годов начал истекать срок действия патентов, и появление малогабаритных настольных 3D-принтеров сделало аддитивное производство более доступным. Кроме того, технология моделирования методом наплавления (FDM) впервые стала использоваться в настольных принтерах.

В то время, как эта доступная технология, основанная на экструзии, вызвала первую волну интереса к 3D-печати и ее широкого внедрения, FDM-системы не удовлетворяли профессиональные потребности. Для профессионального применения очень важны воспроизводимые и точные результаты, в стоматологии можно использовать только биосовместимые материалы, а в ювелирном деле и микрогидродинамике важную роль играют размеры деталей.

Вскоре после появления настольных принтеров на основе технологии FDM, компания Formlabs адаптировала для такого формата и стереолитографию. Это произошло в 2011 году. Компактные настольные SLA-принтеры позволили печатать 3D-модели в высоком разрешении, которое раньше было доступно только в монолитных промышленных системах. К тому же, это новое решение было гораздо доступнее и позволяло работать с широким спектром расходных материалов. Эти возможности расширили доступ к 3D-печати для создания различных специфических и высокоточных моделей в таких дисциплинах, как инженерное дело, проектирование и производство, а также стоматология, ювелирное дело и другие отрасли промышленности.

В 2015 году компания Formlabs выпустила 3D-принтер на основе технологии SLA нового поколения под названием Form 2. Он стал ведущим в отрасли настольным 3D-принтером, способным печатать самые разнообразные модели — от изготовляемого под заказа протеза по доступной цене до линии ручек для бритвенных станков.

Принтер Form 2 установил новые стандарты стереолитографической 3D-печати, популяризировав модель «распределенного» производства, при которой компании могут постепенно масштабировать выпуск продукции, добавляя новые компактные принтеры по мере роста спроса. При этом на каждом принтере можно печатать модели из разных материалов. Со временем развитие материалов только увеличило популярность этой модели, так как новые полимеры можно было применять не только в создании прототипов, но также и в производстве и создании готовых деталей для различных отраслей промышленности.

В 2019 году компания Formlabs сделала еще один шаг к трансформации отрасли, выпустив Form 3 и Form 3L — два новых принтера, задающих новые стандарты для стереолитографических систем, в которых используются новые процессы печати.

Технология стереолитографии низкой силы отрыва (LFS) — это новый этап в развитии стереолитографической 3D-печати. Она отвечает современным требованиям к масштабированию, надежности и промышленному качеству 3D-печати.

Эта усовершенствованная форма 3D-печати SLA значительно снижает усилия, прилагаемые к деталям во время процесса печати, используя гибкий резервуар и линейное освещение для обеспечения невероятного качества поверхности и точности печати. Более низкое усилие печати позволяет создавать легкие опорные конструкции, которые легко отделять, а сам метод открывает широкие возможности для дальнейшего развития прогрессивных материалов, готовых к производству.

Инвертированная стереолитографическая печать предполагает воздействие отслаивающих усилий на модель при отделении от поверхности резервуара, из-за чего объем печати ограничен, и требуются прочные опорные конструкции. Принтер Formlabs Form 2 тщательно откалиброван с учетом отслаивающих сил и позволяет изготавливать высококачественные детали. Узнайте больше о различиях между принтерами Form 2 и Form 3, в котором используется технология LFS.

3D-печать на основе технологии LFS значительно снижает усилия, прилагаемые к деталям во время процесса печати, используя гибкий резервуар и линейное освещение для обеспечения невероятного качества поверхности и точности печати. Узнайте больше о стереолитографии низкой силы отрыва в этом подробном видеоролике.

Инженеры, конструкторы, производители и другие специалисты выбирают стереолитографическую 3D-печать, потому что она обеспечивает отличную детализацию, гладкую поверхность, высочайшую точность моделей, а также такие качества, как изотропность, водонепроницаемость. Кроме того, она позволяет работать с различными материалами.

Поскольку 3D-печать создает модели слой за слоем, прочность готовых деталей может отличаться в зависимости от ориентации детали относительно процесса печати: для осей X, Y и Z будут характерны различные свойства.

 Процессы 3D-печати на основе экструзии, например моделирование методом наплавления нити (FDM), анизотропны за счет специального подхода к созданию различных слоев в процессе изготовления. Эта анизотропия ограничивает возможности применения технологии FDM или требует внесения дополнительных изменений в конструкцию модели для ее компенсации.

Ознакомьтесь с нашим подробным руководством, где сравниваются 3D-принтеры на основе технологий FDM и SLA, чтобы узнать их различия с точки зрения качества печати, материалов, применения, рабочего процесса, скорости, затрат и т. д.

 Стереолитографические 3D-принтеры, напротив, позволяют изготавливать высокоизотропные модели. Достижение изотропии деталей основано на ряде факторов, которые можно строго контролировать за счет интеграции химического состава материалов с процессом печати. Во время печати компоненты полимеров образуют ковалентные связи, но при создании последующих слоев модель остается в «незрелом» состоянии частичной реакции.

В незрелом состоянии смола сохраняет полимеризуемые группы, которые могут образовывать связи между слоями, придавая модели изотропические и водонепроницаемые свойства после окончательного отверждения. На молекулярном уровне между плоскостями X, Y и Z нет различий. Это позволяет получить модели с предсказуемыми механическими характеристиками, критически важными для таких целей, как производство кондукторов и крепежных приспособлений и готовых деталей, а также функциональное прототипирование.

Благодаря своей изотропичности модели, полученные в процессе стереолитографической печати, такие как этот кондуктор для компании Pankl Racing Systems, может выдерживать воздействие направленных нагрузок в процессе производства.

Объекты, напечатанные по технологии SLA, являются непрерывными, независимо от того, цельные они или имеют внутренние каналы. Водонепроницаемость важна в случаях, когда нужно контролировать и прогнозировать воздействие потоков воздуха или жидкости. Инженеры и конструкторы используют водонепроницаемость стереолитографических принтеров для решения задач, связанных с потоками воздуха и жидкости, в автомобильной промышленности, биомедицинских исследованиях и для проверки конструкций деталей потребительских товаров, таких как кухонные приборы.

Компания OXO полагается на водонепроницаемость моделей, полученных с помощью стереолитографической печати, чтобы создавать прочные рабочие прототипы изделий, работающих с потоками воздуха и жидкости, например, кофеварок.

Стереолитографическая 3D-печать используется для изготовления точных воспроизводимых компонентов в различных отраслях, включая стоматологию и производство. Чтобы в процессе печати получались точные модели, необходимо строго контролировать множество факторов.

Качество стереолитграфической 3D-печати находится на уровне между стандартной и точной машинной обработкой. SLA отличается максимальным допуском по сравнению с другими коммерческими технологиями 3D-печати. Узнайте больше о допусках, аккуратности и точности в 3D-печати.

Нагретый резервуар для полимеров в сочетании с закрытой рабочей средой обеспечивают практически одинаковые условия для каждой модели. Более высокая точность также зависит от более низкой температуры печати по сравнению с технологиями на основе термопластика, в которых сырье расплавляется. Так как в стереолитографии вместо тепла используется свет, печать выполняется при температуре, близкой к комнатной, а модели не подвергаются деформациям, связанным с тепловым расширением и сжатием.

3D-печать на основе технологии стереолитографии низкой силы отрыва (LFS) предполагает наличие оптики в Light Processing Unit (LPU), который движется по оси X. Один гальванометр позиционирует лазерный луч в направлении оси Y, а затем направляет его вдоль отклоняющего и параболического зеркал, чтобы он был всегда перпендикулярен плоскости платформы, поэтому он всегда перемещается по прямой линии, обеспечивая максимальную точность и аккуратность. Это позволяет добиться единообразия по мере увеличения размеров оборудования, например, при работе с крупногабаритным стереолитографическим принтером Formlabs Form 3L. В LPU также используется пространственный фильтр, за счет которого формируется четкое лазерное пятно.

В обеспечении надежности и воспроизводимости результатов печати большую роль играют и характеристики отдельных материалов.

Полимер Rigid Resin от Formlabs характеризуется высоким «зеленым модулем», или модулем упругости перед финальной полимеризацией, что позволяет печатать очень тонкие модели с высокой точностью и надежностью.

Стереолитографические принтеры считаются лучшими 3D-принтерами благодаря гладкой поверхности изготовляемых моделей, внешний вид которых сравним с деталями, произведенными такими традиционными способами, как машинная обработка, литье под давлением с использованием форм и экструзия.

Такое качество поверхности идеально подходит, когда нужна безупречная отделка, а также помогает сократить время пост-обработки, потому что такие модели легко шлифовать, полировать и окрашивать. К примеру, такие крупные компании, как Gillette, используют стереолитографическую 3D-печать для создания готовой продукции, например ручек бритвенных станков в их платформе Razor Maker.

Такие крупные компании, как Gillette, используют стереолитографическую 3D-печать для создания готовой продукции, например ручек бритвенных станков в их платформе Razor Maker.

Высота слоя по оси Z часто используется для определения разрешения 3D-принтера. В стереолитографических 3D-принтерах Formlabs ее можно отрегулировать от 25 до 300 микрон, добиваясь компромисса между скоростью и качеством печати.

Принтеры на основе технологий FDM и SLS обычно печатают слои оси Z шириной от 100 до 300 микрон. При этом деталь, напечатанная 100-микронными слоями на FDM- или SLS-принтере, сильно отличается от детали, напечатанной 100-микронными слоями на SLA-принтере. Напечатанные на стереолитографическом принтере модели имеют более гладкую поверхность сразу после печати, потому что их внешние стенки прямые, а каждый новый напечатанный слой взаимодействует с предыдущим, сглаживая эффект лестницы. При печати на FDM-принтере в моделях часто заметны слои, а поверхность моделей, напечатанных на SLS-принтере, имеет зернистую структуру из-за спекшегося порошка.

Кроме того, стереолитографический принтер позволяет печатать мелкие детали: размер лазерного пятна в Form 3 составляет 85 микрон, в то время как на промышленных SLS-принтерах он составляет 350 микрон, а в приборах на основе технологии FDM используются сопла диаметром 250–800 микрон.

Преимущество полимеров SLA заключается в широком спектре составов, предлагающих разнообразие характеристик: 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. Материалы могут быть предназначены для определенной отрасли, например для создания зубных протезов, или иметь свойства, близкие к характеристикам конечных материалов, для создания прототипов, которые могут проходить многочисленные испытания и работать под нагрузкой.

С помощью полимера Ceramic Resin можно печатать 3D-модели с напоминающей камень текстурой, а затем обжигать их, чтобы получить керамическое изделие.

В некоторых случаях именно это сочетание универсальности и функциональности приводит к тому, что предприятия начинают использовать 3D-печать на основе полимеров в собственном производстве. После решения имеющихся задач за счет использования определенного функционального полимера обычно быстро обнаруживаются другие его области применения. В этом случае принтер становится инструментом для открытия разнообразных свойств различных полимеров.

К примеру, сотни инженеров группы проектирования и создания прототипов в Центре перспективной разработки производственного оборудования (AMRC) Шеффилдского университета имеют доступ к 12 стереолитографическим 3D-принтерам и различным конструкционным материалам, которые они используют в многочисленных исследовательских проектах для таких компаний-партнеров, как Boeing, Rolls-Royce, BAE Systems и Airbus. Они напечатали из полимера High Temp Resin шайбы, кронштейны и систему крепления датчика, который должен работать в условиях высокой температуры, и использовали полимер Durable Resin для создания сложных пружинных компонентов для подъемно-транспортного робота в рамках системы автоматизации производства композитных материалов.

Инженеры центра AMRC имеют доступ к 12 стереолитографическим 3D-принтерам и различным конструкционным материалам, что позволяет им создавать детали индивидуальной конструкции для разнообразных исследовательских проектов: например, кронштейны для робота-укладчика (вверху) и креплений для датчика, работающего в условиях высокой температуры (внизу).

Стереолитографическая 3D-печать упрощают работу предприятий в различных отраслях, способствуя внедрению инновационных разработок. Среди таких отраслей машиностроение, производство, стоматология, здравоохранение, образование, индустрия развлечений, ювелирное дело и аудиология.

Многие компании начинают использовать технологию 3D-печати, прибегая к услугам сервисных бюро и лабораторий. Привлечение сторонних производителей может быть отличным решением, когда потребность в 3D-печати возникает нечасто или требуется выполнить разовые работы с использованием материалов, обладающих уникальными свойствами, либо изготовить специальные модели. Сервисные бюро также могут предоставить консультации по различным материалам и предложить дополнительные услуги, такие как проектирование или улучшенная отделка.

Главные недостатки привлечения сторонних организаций — высокая стоимость и длительность производства. Часто привлечение сторонних компаний становится этапом на пути к организации собственного производства по мере роста потребностей. Одно из главных преимуществ 3D-печати — ее скорость по сравнению с традиционными методами производства. Но она заметно снижается, когда доставка модели, произведенной привлеченной организацией, занимает несколько дней или даже недель. С ростом спроса и производственных мощностей затраты на привлечение сторонних компаний быстро растут.

В связи с ростом доступности 3D-печати промышленного качества сегодня все больше компаний предпочитают сразу использовать 3D-печать на своем предприятии, вертикально интегрируя ее в существующие цеха или лаборатории или предоставляя принтеры инженерам, проектировщикам и другим специалистам, которые извлекают выгоду из преобразования цифровых проектов в физические модели или заняты в производстве изделий малыми партиями.

Компактные настольные стереолитографические 3D-принтеры — отличное решение для быстрого производства моделей. В зависимости от количества нужных деталей и объема печати вложения в компактный 3D-принтер могут окупиться уже за несколько месяцев. Кроме того, компактные приборы позволяют приобрести ровно столько оборудования, сколько требуется для ведения бизнеса, и масштабировать производство, добавляя новые единицы по мере роста спроса. Использование нескольких 3D-принтеров также позволяет одновременно печатать модели из разных материалов. А при возникновении потребности в производстве крупных деталей или использовании нестандартных материалов на помощь могут прийти сервисные бюро.

Высокая скорость изготовления — важный аргумент в пользу приобретения настольного 3D-принтера. При работке с печатным бюро возникают задержки, связанные со скоростью изготовления, коммуникацией и поставкой. Настольный 3D-принтер, такой как Form 3, позволяет получить нужные модели уже через несколько часов, благодаря чему проектировщики и инженеры могут печатать несколько деталей в день. Это способствует ускорению итераций и значительной экономии времени на разработку продукции, а также позволяет быстро проводить испытания механизмов и узлов, избегая дорогостоящей замены инструментов.

Приобретение настольного 3D-принтера позволяет экономить значительные средства за счет отказа от услуг бюро и традиционных способов обработки, так как их стоимость резко возрастает с увеличением спроса и объемов производства.

К примеру, для производства изделий в сжатые сроки инженер-технолог и другие сотрудники компании Pankl Racing Systems воспользовались технологией стереолитографической 3D-печати. Это позволило им самостоятельно изготовлять кондукторы индивидуальной конструкции и другие малогабаритные компоненты для производственной линии. Хотя поначалу к стереолитографии относились со скептицизмом, эта технология оказалась идеальным решением для замены механической обработки ряда инструментов. В одном из случаев она позволила сократить время изготовления кондукторов на 90 % — с двух–трех недель до нескольких часов. При этом затраты на производство уменьшились на 80–90 %.

С помощью 3D-печати кондукторов индивидуальной конструкции, Pankl Racing Systems значительно сократила и время подготовки заказа и затраты на его производство.

Компактные приборы позволяют приобрести ровно столько оборудования, сколько требуется для ведения бизнеса, и масштабировать производство, добавляя новые единицы по мере роста спроса. Использование нескольких 3D-принтеров также позволяет одновременно печатать модели из разных материалов.

В Центре перспективной разработки производственного оборудования (AMRC) Шеффилдского университета есть станция аддитивного производства, которая насчитывает 12 стереолитографических (SLA) 3D-принтеров Form 2, доступ к которой есть у сотен инженеров, работающих над различными проектами.

Компания Formlabs предлагает две высокоточные стереолитографические системы 3D-печати, постоянно расширяющийся ассортимент специальных материалов, интуитивно понятный процесс подготовки печати и программное обеспечение для управления процессами, а также профессиональные услуги — и все это в рамках одного решения.

Чтобы узнать больше о стереолитографической 3D-печати, оцените ее качество на собственном опыте: отправьте запрос на предоставление бесплатного образца напечатанной модели из материала по вашему усмотрению, который доставят прямо к вашей двери.