O que é impressão 3D de estereolitografia (SLA)?

A estereolitografia (SLA) é uma das tecnologias de impressão 3D mais comuns na prototipagem rápida. Essa tecnologia utiliza resina fotossensível como matéria-prima. Este artigo explica o princípio básico da impressão 3D por estereolitografia, descreve como a tecnologia funciona, o fluxo completo do processo passo a passo e os materiais adequados.

Visão geral da estereolitografia (SLA)

A estereolitografia (SLA) foi uma das primeiras tecnologias de prototipagem rápida desenvolvidas. Atualmente, é também uma das tecnologias de prototipagem rápida mais pesquisadas, mais maduras e mais utilizadas.

A estereolitografia utiliza resina fotossensível como matéria-prima. Um laser (luz ultravioleta) com comprimento de onda e intensidade específicos é focalizado na superfície do material fotossensível. Isso faz com que o material se solidifique de ponto a linha e de linha a superfície, completando o desenho de uma seção de camada. Em seguida, a plataforma de construção é elevada ou abaixada na direção vertical pela espessura de uma camada, e a próxima camada é irradiada e solidificada. Esse ciclo de cura e movimentação se repete, e as camadas são empilhadas para completar a impressão de uma peça sólida tridimensional.

Princípio da estereolitografia

A tecnologia de estereolitografia (SLA) foi desenvolvida com sucesso pela primeira vez por Charles Hull no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, em 1986. A patente foi concedida em 1987. É a tecnologia de impressão 3D mais antiga a surgir e, atualmente, é a mais madura e amplamente utilizada. Utiliza principalmente resina fotossensível como matéria-prima, que é solidificada camada por camada sob controle computadorizado por meio de um dispositivo a laser ultravioleta. O processo SLA permite imprimir protótipos com alta qualidade de superfície e precisão dimensional, além de formas geométricas complexas, de maneira simples, rápida e totalmente automatizada.

O efeito de impressão da estereolitografia é influenciado não apenas pelo equipamento de impressão, mas também, e muito, pelo desempenho do material de resina fotossensível. O material de impressão utilizado deve ter viscosidade adequada. Após a cura, precisa apresentar certa resistência, e a contração e a distorção durante e após a cura devem ser mínimas. Mais importante ainda, para se obter impressão de alta velocidade e precisão, a resina fotossensível deve possuir propriedades fotossensíveis adequadas. Ela precisa ser totalmente curada sob irradiação de energia relativamente baixa, e a profundidade de cura da resina também deve ser apropriada.

O princípio de funcionamento da SLA é ilustrado na figura. Sob controle computadorizado, o componente de laser ultravioleta escaneia e irradia a superfície da resina fotossensível líquida ponto a ponto, de acordo com os dados das seções em camadas do modelo de projeto. Isso faz com que a fina camada de resina fotossensível na área irradiada sofra uma reação de polimerização e solidifique, formando assim uma fina camada de impressão curada. Após a cura de uma seção da camada, a plataforma de construção desce ao longo do eixo Z na espessura de uma camada. Devido às características de fluxo do líquido, o material de impressão forma automaticamente uma nova camada de resina líquida sobre a superfície da resina previamente curada. Portanto, o componente de irradiação pode realizar diretamente a operação de cura para a próxima camada. A nova camada curada adere firmemente à parte previamente curada. O processo de irradiação e descida se repete em um ciclo até que toda a peça seja impressa. No entanto, após a conclusão da impressão, o protótipo ainda precisa ser retirado da resina e submetido a um tratamento de pós-cura. O produto final é obtido por meio de tratamentos como luz intensa, galvanoplastia, pintura ou coloração.

É importante notar que, como alguns materiais de resina fotossensíveis possuem viscosidade muito alta, a superfície do líquido tem dificuldade em se nivelar rapidamente em um curto período após a irradiação e cura de cada camada. Isso afeta a precisão do modelo impresso. Portanto, a maioria dos equipamentos de SLA (laminectomia a laser) é equipada com uma lâmina raspadora. Após a descida da plataforma de impressão, a lâmina raspadora realiza uma operação de raspagem. Isso permite que a resina seja aplicada de maneira muito uniforme na camada seguinte. Após a cura por luz, é possível obter maior precisão e a superfície do produto impresso final torna-se mais lisa e plana.

As características da tecnologia SLA são alta precisão, boa qualidade de superfície e uma taxa de utilização de matéria-prima de quase 100%. Ela pode ser usada para imprimir peças com formas particularmente complexas e detalhes muito finos. É muito adequada para prototipagem rápida de peças de pequeno porte. No entanto, a desvantagem é que o preço tanto do equipamento quanto da matéria-prima para impressão é relativamente alto.

Atualmente, a tecnologia SLA é utilizada para a fabricação de moldes e modelos. Também pode ser usada, adicionando outros componentes à matéria-prima, para substituir modelos de cera na fundição de precisão. Embora a tecnologia SLA apresente alta velocidade de impressão e precisão, como o material de impressão deve ser à base de resina fotossensível, e esta inevitavelmente sofre contração durante o processo de cura, causando tensão ou deformação, uma das principais dificuldades para a promoção dessa tecnologia atualmente é a necessidade urgente de materiais fotossensíveis com baixa contração, cura rápida e alta resistência.

Processo de estereolitografia

O processo da tecnologia de estereolitografia (SLA) pode ser geralmente dividido em quatro etapas: pré-processamento, fabricação de protótipos, limpeza e tratamento de cura.

1. A etapa de pré-processamento envolve principalmente o trabalho de preparação de dados para o modelo de impressão. Especificamente, inclui etapas como a conversão de dados do modelo de projeto CAD, a determinação da orientação de posicionamento, a adição de suportes e o fatiamento em camadas.
2. O processo de estereolitografia é o processo de impressão propriamente dito realizado pelo equipamento SLA. Antes da impressão propriamente dita, o equipamento SLA geralmente precisa ser pré-ligado para que a temperatura da resina fotossensível atinja a temperatura predefinida. A inicialização do laser ultravioleta também requer algum tempo.
3. A limpeza do modelo envolve principalmente a remoção do excesso de resina líquida, a retirada e o corte dos suportes do protótipo e o lixamento das texturas em degraus formadas pela cura camada por camada.
4. Para diversos métodos de estereolitografia, geralmente é necessário um tratamento de pós-cura, como por exemplo, um tratamento de pós-cura completo utilizando um forno ultravioleta.

Características da estereolitografia

A vantagem da tecnologia de estereolitografia reside na alta velocidade de formação e na elevada precisão dos protótipos. É particularmente adequada para a produção de peças de pequenas dimensões que exigem alta precisão e possuem estruturas complexas.

No entanto, a tecnologia de prototipagem rápida por estereolitografia também apresenta duas desvantagens. Primeiro, as matérias-primas de resina fotossensível possuem certa toxicidade, portanto, os operadores devem tomar medidas de proteção ao manuseá-las. Segundo, embora os produtos acabados por estereolitografia apresentem excelente aparência geral, a resistência do material ainda não se compara à de produtos fabricados em escala industrial. Isso limita consideravelmente o desenvolvimento dessa tecnologia e restringe sua aplicação principalmente à verificação de projetos de protótipos. Uma série de etapas de processamento ainda é necessária posteriormente para transformá-los em produtos de nível industrial.

Os custos de equipamento, manutenção e materiais da tecnologia SLA são muito maiores do que os de outros sistemas. Modelagem de Deposição Fundida (FDM) e outras tecnologias. Portanto, as impressoras 3D baseadas na tecnologia de estereolitografia são atualmente utilizadas principalmente em áreas profissionais. As aplicações para uso doméstico ainda estão em fase inicial.

Especificamente, as vantagens da tecnologia de impressão SLA são as seguintes:

• A tecnologia SLA surgiu cedo e possui alta maturidade técnica após muitos anos de desenvolvimento.
• A velocidade de impressão é rápida, o processo de reação fotossensível é conveniente, o ciclo de produção do produto é curto e não são necessárias ferramentas de corte ou moldes.
• A precisão de impressão é alta. Ela consegue imprimir protótipos e moldes com estruturas ou formatos complexos, difíceis de serem produzidos com tecnologias tradicionais.
• As funcionalidades do software são completas. Ele suporta operação online e controle remoto, o que é benéfico para a automação da produção.

Em comparação com outras tecnologias de impressão, as desvantagens da tecnologia SLA são:

• Os equipamentos SLA são geralmente caros, e o custo de uso e manutenção é muito alto.
• Requer manuseio preciso de líquidos tóxicos e possui requisitos rigorosos quanto ao ambiente de trabalho.
• Devido às limitações de materiais, os materiais disponíveis são principalmente resinas. Isso faz com que a resistência, a rigidez e a resistência ao calor dos produtos impressos sejam muito limitadas, tornando-os inadequados para armazenamento a longo prazo.

Materiais para impressão SLA

A SLA é adequada para diversos materiais de resina. Os materiais podem ser selecionados de acordo com o uso final da peça, como resistência ao calor, acabamento superficial liso ou resistência ao desgaste. O preço das resinas varia bastante. Materiais padrão custam cerca de 70 RMB por litro, enquanto materiais especiais, como resina fundível ou resina odontológica, custam cerca de 500 RMB por litro.

Tolerância e Capacidades

Na Getzshape, nosso Serviços de impressão 3D Abrangemos quatro tecnologias principais: SLA, SLS, SLM e FDM. Nossas tolerâncias e capacidades de impressão 3D SLA estão listadas abaixo.

Acabamentos para componentes impressos em SLA

• LixamentoLixamento: Uma etapa básica e importante de acabamento superficial para peças impressas. Utiliza lixas com diferentes granulações para remover as linhas de camada visíveis e tornar a superfície mais lisa.
• PinturaPrimeiro, a superfície é lixada para ficar mais lisa. Em seguida, aplica-se um primer para melhorar a aderência da tinta. Depois disso, a tinta colorida é pulverizada ou aplicada com pincel. A pintura pode ocultar completamente as linhas de camada, dar à peça uma cor agradável e deixar a superfície com um aspecto liso. É amplamente utilizada em modelos de exibição, protótipos e produtos finais.
• polimentoO polimento consiste em deixar a superfície das peças lisa e brilhante. Após o lixamento básico, são utilizados compostos ou ferramentas especiais de polimento para esfregar a superfície. Esse processo remove pequenos arranhões e deixa a peça com um aspecto brilhante.

Aplicações da estereolitografia

Dentre as diversas tecnologias de prototipagem rápida, a prototipagem rápida por estereolitografia (SLA) tornou-se um dos métodos mais amplamente aplicados, devido ao seu alto grau de automação do processo, boa qualidade de superfície, alta precisão dimensional e capacidade de produzir características geométricas finas e complexas.

A tecnologia SLA é amplamente utilizada na comunicação de projetos conceituais, fundição de precisão para produção de baixo volume, modelagem de produtos, ferramental rápido e aplicações de ferramental direto. Ela encontrou ampla aplicação em setores como aeroespacial, automotivo, eletrodomésticos, produtos de consumo e dispositivos médicos.

Indústria aeroespacial

Na área aeroespacial, os modelos SLA podem ser usados ​​para testes em túnel de vento, verificação de fabricabilidade e validação de montagem.

Os componentes aeroespaciais são frequentemente sistemas altamente complexos que operam em espaços limitados. Ao adotar a tecnologia de estereolitografia, os engenheiros podem não apenas realizar verificações de interferência na montagem com base em protótipos SLA, mas também conduzir avaliações de fabricabilidade para determinar o processo de fabricação ideal.

Com o auxílio de processos como fundição de precisão, fundição rápida em areia e tecnologias relacionadas, a SLA também pode viabilizar a produção de peças únicas ou em pequenos lotes de componentes altamente complexos, como turbinas, pás e impulsores, além da fabricação e teste de protótipos de componentes de motores.

Na indústria aeroespacial, muitos componentes de motores são fabricados por meio de processos de fundição. A produção de modelos mestres de alta precisão usando usinagem CNC tradicional é extremamente cara e demorada. Com a tecnologia SLA, os modelos mestres para fundição de precisão podem ser produzidos diretamente a partir de modelos digitais CAD, reduzindo significativamente o prazo de entrega e o custo de fabricação.

Em apenas algumas horas, modelos mestres SLA complexos e de baixo custo, adequados para fundição de precisão, podem ser gerados diretamente a partir de modelos CAD.

A tecnologia de prototipagem rápida SLA também pode ser usada para fabricar diversos invólucros de projéteis ou mísseis. Após a instalação de sensores, esses modelos podem ser submetidos diretamente a testes em túnel de vento. Esse método elimina o custo e o tempo de produção associados à fabricação de moldes complexos com superfícies curvas, permitindo que os engenheiros avaliem múltiplos conceitos de design com mais eficiência e identifiquem a solução aerodinâmica ideal.

Como resultado, os ciclos de verificação e os custos gerais de desenvolvimento podem ser significativamente reduzidos ao longo de todo o processo de desenvolvimento do produto.

Além disso, modelos de mísseis em escala real produzidos pela tecnologia SLA podem receber revestimento superficial para demonstrar claramente a aparência, a estrutura e os princípios operacionais do míssil. Comparados com simulações computacionais convencionais ou desenhos de engenharia, esses modelos físicos oferecem recursos de visualização e apresentação muito mais eficazes, permitindo também avaliações de fabricação e montagem antes do início da produção em massa.

Automotiva

A tecnologia SLA também é utilizada na fabricação de automóveis, ferramentas, produtos elétricos e na indústria de fundição.

A indústria automotiva é caracterizada pela produção de múltiplos modelos e ciclos de desenvolvimento curtos. Para atender às exigências de fabricação em constante mudança, os projetos de veículos devem ser continuamente atualizados e otimizados.

Embora as modernas tecnologias de simulação computacional possam realizar análises relacionadas à potência, resistência e rigidez, protótipos físicos ainda são necessários durante o desenvolvimento do produto para verificar a aparência, a acessibilidade das ferramentas, a viabilidade da montagem e o desempenho da desmontagem.

Para componentes com formas e estruturas altamente complexas, a tecnologia SLA pode ser usada para fabricar protótipos funcionais que validam os conceitos do projetista, além de dar suporte a testes de funcionalidade e verificação de montagem.

A tecnologia SLA também é amplamente utilizada em pesquisas de análise de fluxo em motores. Essa tecnologia é usada para determinar os padrões de fluxo de líquidos ou gases dentro de componentes complexos. Modelos protótipos transparentes são instalados em uma plataforma de testes, e um líquido contendo partículas finas ou bolhas é circulado pelos canais de fluxo para visualizar o comportamento do fluxo.

Essa tecnologia foi aplicada com sucesso na pesquisa e desenvolvimento de:

• Sistemas de refrigeração do motor
• Cabeçotes dos cilindros
• coletes impermeáveis
• Coletores de admissão
• Coletores de exaustão

Os métodos tradicionais de fabricação são demorados, caros e, muitas vezes, carecem de precisão suficiente. Em contrapartida, a tecnologia SLA, combinada com a modelagem CAD, requer apenas 4 a 5 semanas, reduzindo os custos para aproximadamente um terço dos métodos tradicionais.

Além disso, os modelos transparentes resultantes podem satisfazer plenamente os requisitos dimensionais de CAD para componentes como cabeçotes de cilindro e camisas de água, atingindo também a qualidade de superfície necessária.

Além dessas aplicações, a tecnologia de prototipagem rápida SLA também pode ser integrada com:

• Engenharia reversa
• Tecnologia de ferramentas rápidas
• tecnologias de fabricação de protótipos

para aplicações como:

• design de carroceria automotiva
• Desenvolvimento de protótipos de para-choques dianteiro e traseiro
• Fabricação de protótipos de painéis de portas internas
• Validação de protótipos funcionais e estruturais
• Produção de componentes para veículos de corrida

Fundição de investimento

Na produção de peças fundidas, a fabricação de modelos, caixas de macho, moldes de injeção de cera e moldes de fundição sob pressão tradicionalmente depende de processos de usinagem e muitas vezes requer acabamento manual por técnicos especializados.

Para peças fundidas com geometrias altamente complexas, a fabricação de moldes torna-se especialmente difícil.

Embora algumas grandes fundições estejam equipadas com máquinas CNC avançadas e equipamentos de fresagem copiadora, o próprio equipamento é caro, os ciclos de usinagem são longos e a programação continua difícil devido ao suporte limitado de software.

O surgimento da tecnologia de prototipagem rápida proporcionou à indústria de fundição uma solução capaz de oferecer:

• Produção de moldes mais rápida
• Maior precisão dimensional
• Geometrias mais complexas

melhorando significativamente a capacidade de fabricação de moldes de fundição.

Arte e Criatividade

Devido à sua excelente qualidade de superfície, alta precisão dimensional e capacidade de produzir detalhes estruturais complexos, a tecnologia SLA também tem sido amplamente adotada em aplicações artísticas e criativas.

Atualmente, a estereolitografia é amplamente utilizada em:

• Criação artística
• Replicação de relíquias culturais
• escultura digital
• Produção artesanal criativa
• Fabricação de modelos de animação
• Desenvolvimento criativo de produtos culturais

Modelos mestres para fundição a vácuo

Fundição a vácuo processo É uma alternativa econômica para a produção de pequenos lotes de peças moldadas por injeção. Normalmente, componentes impressos em SLA são usados ​​como modelos mestres, enquanto moldes de silicone são produzidos com base nesses modelos mestres. Materiais de poliuretano (PU) são então vertidos nos moldes de silicone para fabricar as peças replicadas.

A qualidade das peças fundidas a vácuo depende em grande parte da qualidade do modelo mestre original. Texturas de superfície ou outros tratamentos de acabamento podem ser aplicados aos protótipos SLA para simular a aparência final e as características detalhadas da superfície dos produtos de produção. O molde de silicone reproduz com precisão os detalhes e as texturas do modelo mestre, permitindo que as peças replicadas alcancem um acabamento e uma aparência de superfície altamente consistentes.