Что такое стереолитографическая (SLA) 3D-печать?

Стереолитография (SLA) — одна из распространенных технологий 3D-печати в быстром прототипировании. В этой технологии в качестве сырья используется фоточувствительная смола. В данной статье объясняется основной принцип стереолитографической 3D-печати, описывается принцип работы технологии, полный пошаговый процесс и подходящие материалы.

Обзор стереолитографии (SLA)

Стереолитография (SLA) — одна из первых разработанных технологий быстрого прототипирования. Сегодня это также одна из наиболее глубоко исследованных, зрелых и широко используемых технологий быстрого прототипирования.

Стереолитография использует в качестве исходного материала светочувствительную смолу. Лазер (ультрафиолетовый свет) с определенной длиной волны и интенсивностью фокусируется на поверхности светочувствительного материала. Это приводит к затвердению материала от точки к линии и от линии к поверхности в определенной последовательности, завершая послойное моделирование. Затем платформа для построения поднимается или опускается на толщину одного слоя в вертикальном направлении, и следующий слой облучается и затвердевает. Этот цикл отверждения и перемещения повторяется, и слои укладываются друг на друга для завершения печати трехмерной твердотельной детали.

Принцип стереолитографии

Технология стереолитографии была впервые успешно разработана Чарльзом Халлом в Массачусетском технологическом институте в США в 1986 году. Патент на неё был получен в 1987 году. Это самая ранняя из появившихся технологий 3D-печати, и в настоящее время она является наиболее зрелой и широко используемой. В качестве сырья используется фоточувствительная смола, которая послойно затвердевает под управлением компьютера с помощью ультрафиолетового лазера. Процесс SLA позволяет печатать прототипы с высоким качеством поверхности и точностью размеров, а также сложные геометрические формы простым, быстрым и полностью автоматическим способом.

На качество печати методом стереолитографии влияет не только печатное оборудование, но и в значительной степени характеристики фоточувствительного полимерного материала. Используемый печатный материал должен обладать подходящей вязкостью. После отверждения он должен иметь определенную прочность, а усадка и деформация во время и после отверждения должны быть минимальными. Что еще важнее, для достижения высокой скорости и точности печати фоточувствительный полимер должен обладать подходящими фоточувствительными свойствами. Он должен полностью отверждаться при относительно низкой энергии излучения, а глубина отверждения полимера также должна быть соответствующей.

Принцип работы SLA показан на рисунке. Под управлением компьютера ультрафиолетовый лазерный компонент сканирует и облучение поверхности жидкой фоточувствительной смолы точечно в соответствии с данными о слоистых участках проектной модели. Это вызывает реакцию полимеризации и затвердевание тонкого слоя фоточувствительной смолы в облученной области, образуя таким образом тонкий слой отвержденной смолы. После завершения отверждения одного слоя платформа опускается вдоль оси Z на толщину одного слоя. Благодаря текучести жидкости, печатный материал автоматически образует новый слой жидкой смолы на поверхности ранее отвержденной смолы. Таким образом, компонент облучения может непосредственно выполнять операцию отверждения для следующего слоя. Новый отвержденный слой прочно сцепляется с ранее отвержденной деталью. Процесс облучения и опускания повторяется циклически до тех пор, пока не будет напечатана вся деталь. Однако после завершения печати прототип необходимо извлечь из смолы и подвергнуть последующей обработке для отверждения. Конечный продукт получают с помощью сильного света, гальванического покрытия, покраски или окрашивания.

Следует отметить, что из-за очень высокой вязкости некоторых фоточувствительных смол, выравнивание поверхности жидкости после облучения и отверждения каждого слоя происходит с трудом. Это влияет на точность напечатанной модели. Поэтому большинство SLA-оборудования оснащено скребком. После каждого опускания рабочей платформы скребок выполняет операцию соскабливания. Это позволяет очень равномерно наносить смолу на следующий слой. После светоотверждения достигается более высокая точность, а поверхность готового изделия становится более гладкой и ровной.

Характеристики технологии SLA включают высокую точность, хорошее качество поверхности и почти 100% коэффициент использования сырья. Она позволяет печатать детали особенно сложной формы и с очень мелкими деталями. Технология отлично подходит для быстрого прототипирования деталей малых размеров. Однако недостатком является относительно высокая стоимость как оборудования, так и сырья для печати.

В настоящее время технология SLA используется для изготовления пресс-форм и моделей. Она также может применяться для замены восковых моделей в литье по выплавляемым моделям путем добавления других компонентов к исходному материалу. Хотя технология SLA обладает высокой скоростью печати и точностью, поскольку печатный материал должен быть на основе фоточувствительной смолы, а фоточувствительная смола неизбежно подвергается усадке в процессе отверждения, что вызывает напряжение или деформацию, основной трудностью в продвижении этой технологии в настоящее время является острая необходимость в фоточувствительных материалах с малой усадкой, быстрым отверждением и высокой прочностью.

Процесс стереолитографии

Процесс стереолитографии (SLA) обычно можно разделить на четыре этапа: предварительная обработка, изготовление прототипа, очистка и обработка для отверждения.

1. Этап предварительной обработки в основном включает в себя подготовку данных для модели для печати. ​​В частности, он включает такие шаги, как преобразование данных CAD-модели, определение ориентации размещения, добавление опор и нарезку на слои.
2. Процесс стереолитографии — это собственно процесс печати на оборудовании SLA. Перед началом печати оборудование SLA обычно необходимо предварительно запустить, чтобы температура фоточувствительной смолы достигла заданной оптимальной температуры. Запуск ультрафиолетового лазера также требует некоторого времени.
3. Очистка модели в основном включает в себя удаление излишков жидкой смолы, удаление и обрезку опор прототипа, а также шлифовку ступенчатых текстур, образованных послойным отверждением.
4. Для различных методов стереолитографии обычно требуется последующая обработка для полимеризации, например, общая последующая обработка в ультрафиолетовой печи.

Характеристики стереолитографии

Преимуществом технологии стереолитографии является высокая скорость формования и высокая точность изготовления прототипов. Она идеально подходит для изготовления деталей малых размеров, требующих высокой точности и имеющих сложную структуру.

Однако технология быстрого прототипирования с использованием стереолитографии имеет и два недостатка. Во-первых, фоточувствительные смолы обладают определенной токсичностью, поэтому операторам необходимо принимать защитные меры при их использовании. Во-вторых, готовые изделия, изготовленные методом стереолитографии, обладают очень хорошим внешним видом, но прочность материала все еще не сравнима с реальными изделиями промышленного производства. Это значительно ограничивает развитие данной технологии и сужает ее применение в основном до проверки прототипов. Для превращения в продукцию промышленного класса в дальнейшем потребуется ряд технологических этапов.

Стоимость оборудования, затраты на техническое обслуживание и материальные затраты при использовании технологии SLA значительно выше, чем при использовании других технологий. Плавленое моделирование осаждения (FDM) и других технологий. Поэтому 3D-принтеры, основанные на технологии стереолитографии, в настоящее время в основном используются в профессиональной сфере. Настольные приложения пока находятся на начальной стадии развития.

В частности, преимущества технологии SLA-печати заключаются в следующем:

• Технология SLA появилась на раннем этапе своего развития и за многие годы достигла высокой технической зрелости.
• Высокая скорость печати, удобный процесс фоточувствительной реакции, короткий цикл производства продукции, не требующий режущих инструментов или пресс-форм.
• Точность печати высока. Она позволяет печатать прототипы и пресс-формы со сложными структурами или формами, которые трудно изготовить с помощью традиционных технологий.
• Программное обеспечение обладает полным набором функций. Оно поддерживает онлайн-управление и удаленный контроль, что выгодно для автоматизации производства.

По сравнению с другими технологиями печати, недостатками технологии SLA являются:

• Оборудование для соглашений об уровне обслуживания (SLA) обычно дорогое, а затраты на его эксплуатацию и техническое обслуживание очень высоки.
• Эта работа требует точной манипуляции с токсичными жидкостями и предъявляет строгие требования к условиям труда.
• Из-за ограниченности материалов, в основном используются смолы. Это приводит к очень ограниченным прочностным характеристикам, жесткости и термостойкости печатных изделий, а также делает их непригодными для длительного хранения.

Материалы для SLA-печати

Технология SLA подходит для различных полимерных материалов. Материалы можно выбирать в зависимости от конечного назначения детали, например, термостойкости, гладкой поверхности или износостойкости. Цена на полимеры сильно варьируется. Стандартные материалы стоят около 70 юаней за литр, в то время как специальные материалы, такие как литьевые смолы или стоматологические смолы, стоят около 500 юаней за литр.

Допуски и возможности

В Getzshape мы Услуги 3D печати Мы используем четыре основные технологии: SLA, SLS, SLM и FDM. Допуски и возможности нашей SLA 3D-печати указаны ниже.

Отделка компонентов, изготовленных методом SLA-печати.

• Шлифовка:: Базовый и важный этап финишной обработки поверхности напечатанных деталей. В ходе этой обработки используется наждачная бумага различной зернистости для удаления видимых линий слоев и придания поверхности гладкости.
• Малярные работыСначала поверхность шлифуется для придания ей гладкости. Затем наносится грунтовка, которая улучшает сцепление краски. После этого цветная краска распыляется или наносится кистью. Покраска позволяет полностью скрыть линии слоев, придать детали красивый цвет и сделать поверхность гладкой. Она широко используется для выставочных моделей, прототипов и готовой продукции.
• Полировка:: Придание поверхности деталей гладкости и блеска. После базовой шлифовки для полировки поверхности используются специальные полировальные пасты или инструменты. Этот процесс удаляет мелкие царапины и придает детали глянцевый вид.

Применение стереолитографии

Среди различных технологий быстрого прототипирования стереолитография (SLA) стала одним из наиболее широко применяемых методов благодаря высокой степени автоматизации процесса, хорошему качеству поверхности, высокой точности размеров и возможности создания тонких и сложных геометрических элементов.

Технология SLA широко используется в концептуальном проектировании, прецизионном литье по выплавляемым моделям для мелкосерийного производства, моделировании изделий, быстром изготовлении оснастки и прямом изготовлении оснастки. Она нашла широкое применение в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная, электротехническая, производство потребительских товаров и медицинских изделий.

Аэрокосмическая индустрия

В аэрокосмической отрасли модели SLA могут использоваться для испытаний в аэродинамической трубе, проверки технологичности изготовления и подтверждения качества сборки.

Аэрокосмические компоненты часто представляют собой чрезвычайно сложные системы, работающие в ограниченном пространстве. Применение технологии стереолитографии позволяет инженерам не только проводить проверки на наличие стыков при сборке прототипов, изготовленных методом SLA, но и оценивать технологичность производства для определения оптимального процесса изготовления.

Благодаря использованию технологий быстрого литья по выплавляемым моделям, быстрого литья в песчаные формы и смежных технологий, технология SLA также позволяет осуществлять единичное или мелкосерийное производство высокосложных компонентов, таких как турбины, лопатки и рабочие колеса, а также изготовление прототипов и тестирование компонентов двигателей.

В аэрокосмической отрасли многие компоненты двигателей изготавливаются методом литья. Изготовление высокоточных мастер-моделей с использованием традиционных станков с ЧПУ чрезвычайно дорого и трудоемко. Благодаря технологии SLA (Self-Alternative Alternate Math) мастер-модели для литья по выплавляемым моделям могут быть изготовлены непосредственно из цифровых моделей CAD, что значительно сокращает как сроки выполнения заказа, так и производственные затраты.

Всего за несколько часов можно изготовить сложные и недорогие мастер-модели методом SLA, пригодные для литья по выплавляемым моделям, непосредственно из CAD-моделей.

Технология быстрого прототипирования SLA также может использоваться для изготовления различных снарядов или ракетных оболочек. После установки датчиков эти модели могут быть непосредственно подвергнуты испытаниям в аэродинамической трубе. Этот метод исключает затраты и время, связанные с изготовлением сложных форм с изогнутыми поверхностями, что позволяет инженерам более эффективно оценивать различные концепции дизайна и определять оптимальное аэродинамическое решение.

В результате циклы проверки и общие затраты на разработку могут быть значительно сокращены на протяжении всего процесса разработки продукта.

Кроме того, полномасштабные модели ракет, изготовленные с использованием технологии SLA, могут быть покрыты защитным слоем для наглядной демонстрации внешнего вида, конструкции и принципов работы ракеты. По сравнению с традиционными компьютерными моделями или инженерными чертежами, эти физические модели обеспечивают гораздо более эффективные возможности визуализации и представления, а также позволяют проводить оценку технологичности изготовления и сборки до начала серийного производства.

Автомобильная

Технология SLA также используется в автомобилестроении, инструментальной промышленности, производстве электротехнической продукции и литейном производстве.

Для автомобильной промышленности характерны многомодельное производство и короткие циклы разработки. Чтобы соответствовать постоянно меняющимся производственным требованиям, конструкции автомобилей должны непрерывно обновляться и оптимизироваться.

Хотя современные технологии компьютерного моделирования позволяют проводить анализ, связанный с мощностью, прочностью и жесткостью, физические прототипы по-прежнему необходимы на этапе разработки продукта для проверки внешнего вида, доступности оснастки, возможности сборки и разборки.

Для компонентов со сложной формой и структурой технология SLA может использоваться для изготовления функциональных прототипов, подтверждающих концепции разработчика, а также для проведения функционального тестирования и проверки сборки.

Технология SLA также широко используется в исследованиях анализа потоков в двигателях. Технология анализа потоков применяется для определения характера течения жидкостей или газов внутри сложных компонентов. Прозрачные прототипы устанавливаются на испытательной платформе, и жидкость, содержащая мелкие частицы или пузырьки, циркулирует по каналам потока для визуализации поведения потока.

Данная технология успешно применяется в исследованиях и разработках:

• Системы охлаждения двигателя
• Головки цилиндров
• Водяные рубашки
• Впускные коллекторы
• Выпускные коллекторы

Традиционные методы производства трудоемки, дороги и часто недостаточно точны. В отличие от них, технология SLA в сочетании с CAD-моделированием требует всего 4–5 недель, при этом затраты снижаются примерно до одной трети от затрат на традиционные методы.

Кроме того, полученные прозрачные модели могут полностью удовлетворять требованиям САПР к размерам таких компонентов, как головки цилиндров и водяные рубашки, а также обеспечивать требуемое качество поверхности.

Помимо перечисленных областей применения, технология быстрого прототипирования SLA может быть интегрирована также со следующими устройствами:

• Обратный инжиниринг
• Технология быстрого изготовления оснастки
• Технологии изготовления прототипов

для таких приложений, как:

• Дизайн автомобильных кузовов
• Разработка прототипов переднего и заднего бампера
• Изготовление прототипов внутренних дверных панелей
• Проверка функционального и структурного прототипа.
• производство компонентов для гоночных автомобилей

Литье по выплавляемым моделям

В литейном производстве изготовление моделей, стержневых коробок, восковых литьевых форм и форм для литья под давлением традиционно основано на механической обработке и часто требует ручной доводки квалифицированными специалистами.

При изготовлении отливок со сложной геометрией процесс создания пресс-форм становится особенно трудным.

Хотя некоторые крупные литейные заводы оснащены современными станками с ЧПУ и копировальным фрезерным оборудованием, само оборудование дорогое, циклы обработки длительные, а программирование остается сложным из-за ограниченной поддержки программного обеспечения.

Появление технологии быстрого прототипирования предоставило литейной промышленности решение, способное обеспечить:

• Более быстрое производство пресс-форм
• Более высокая точность размеров
• Более сложные геометрические формы

тем самым значительно улучшая возможности производства литейных форм.

Искусство и творчество

Благодаря превосходному качеству поверхности, высокой точности размеров и возможности создания сложных структурных деталей, технология SLA также нашла широкое применение в художественных и творческих областях.

В настоящее время стереолитография широко используется в:

• Художественное творчество
• Репликация культурных реликвий
• Цифровая скульптура
• Творческое производство изделий ручной работы
• Изготовление анимационных моделей
• Разработка креативных культурных продуктов

Мастер-модели для вакуумного литья

Вакуумное литье процесс Это экономичная альтернатива для производства небольших партий деталей, изготовленных методом литья под давлением. Как правило, в качестве мастер-моделей используются компоненты, напечатанные методом SLA, а силиконовые формы изготавливаются на основе этих мастер-моделей. Затем полиуретановые (ПУ) материалы заливаются в силиконовые формы для изготовления точных копий деталей.

Качество деталей, изготовленных методом вакуумного литья, во многом зависит от качества исходной мастер-модели. Для имитации конечного внешнего вида и детальных характеристик поверхности серийных изделий на прототипы, изготовленные методом SLA, могут быть нанесены текстуры поверхности или применены другие виды финишной обработки. Силиконовая форма точно воспроизводит детали и текстуры мастер-модели, что позволяет добиться высокой степени однородности поверхности и внешнего вида при изготовлении копий.