Основной принцип работы практически всех видов 3D-принтеров основан на послойном нанесении расходного материала при изготовлении изделий.
Отличие имеется только в самой технологии, применяемой для создания слоев. Здесь может применяться расходный материал любого вида от порошкообразного до использования нарезки бумаги.
Качество соответствия изготавливаемой детали прототипу зависит от толщины слоя. Чем он тоньше - тем выше качество. Одним из способов достижения минимальной толщины слоя является применение технологии стереолитографии – SLA.
Стереолитография и виды принтеров использующие эту технологию
Принцип стереолитографии заключается в применении лазера, который направляется на емкость с расходным материалом. Чаще всего для этой цели используется жидкая смола.
Лазер своим воздействием обеспечивает отвердевание каждого слоя, совершая эволюции по поверхности материала согласно заданным программой параметрам. Им соблюдается с высокой точностью следование параметрам цифровой модели. С помощью данной технологии обеспечивается возможность создания моделей сложных форм, имеющих большое количество мелких деталей. Толщина слоя может достигать 0,05 мм, а детализация – 300 микрон.
Среди наиболее распространенных в применении 3D-принтеров, работающих по технологии SLA на рынке представлены:
- Модели mUVe 1 DLP HD, mUVe 1 DLP FullHD.
- Американский B9Creator v 1.1
- Отечественный 3D-принтер iPro™ 8000 и его обновленный вариант ProX 950.
- 3D SLA StarLight .
- Настольная модель EDP-4 с открытой архитектурой.
- The Form 1
Преимущества и недостатки SLA-технологии
Основными преимуществами данной технологии являются:
- возможность изготовления деталей с высокой точностью соответствия, тонкостенных и имеющих большое количество мелких деталей;
- практическое отсутствие доработок моделей созданных с помощью технологии SLA;
- идеальное качество поверхностей;
- разнообразие расходных материалов;
- прототипы, получаемые с помощью данной технологии могут быть использованы в качестве рабочих изделий;
- возможность использования больших камер;
- практическая бесшумность.
Однако не все так просто и хорошо в SLA-технологии. Имеются и значительные недостатки, которые влияют на распространенность данной технологии.
Прежде всего это требование применять некоторую основу в виде стержня, который должен обеспечивать поддержку изготавливаемого изделия. Затем этот стержень требуется удалять. Это доступно лишь механическим путем, что сопряжено с особой сложностью, так как требуется не нанести повреждение детали.
Также необходимо провести ультрафиолетовую засветку готовой детали после ее промывки. Это важно, чтобы изделие смогло достичь необходимой степени твердости.
Стоимость 3D-принтеров использующих технологию SLA
Учитывая разнообразие моделей принтеров объемной печати использующих стереолитографию цены на них зависят от их производителя, причем различаются значительно даже в одной категории характеристик.
Однако существует возможность установить некоторые ценовые диапазоны в зависимости от назначения этого оборудования.
- 3D-принтеры SLA промышленного типа обойдутся их владельцу от 1 600 000 рублей.
- Менее производительные модели будут стоить от 600 000 рублей.
- Настольные офисные, бытовые варианты – 120 000 – 350 000 рублей.
Многое зависит еще от того где приобретать данные принтеры. Если непосредственно у производителя, как, например, обстоит дело с оборудованием отечественным, то здесь можно несколько выиграть не только в цене.
Однако наибольшую проблему вызовет поиск качественного расходного материала, который также имеет тенденцию значительно отличаться в цене в зависимости от его изготовителя.
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.
На сегодняшний день существует несколько технологий засвечивания полимера в фотополимерных принтерах процесса «полимеризация в ванне».
Но из них можно выделить три основных:
1) Классический SLA принтер с засвечиванием лазерным лучом (далее по тексту - SLA-принтер).
Лазерный луч через систему развертки (которая может быть реализована различными способами) засвечивает фотополимер, последовательно «оббегая» ванну. Модель формируется за счет включения-отключения лазера.
2) Принтер с засветкой фотополимера при помощи DLP-проектора (далее по тексту - DLP-принтер)
Фотополимер засвечивается DLP-проектором, который по-кадрово выводит сечение формируемой детали.
3) Принтер с засветкой фотополимера светодиодной УФ-матрицей с использованием в качестве маски доработанный LCD-дисплей (далее по тексту - LCD-технология).
Фотополимер засвечивается светодиодной матрицей, изображение формируется за счет LCD-дисплея, который по-кадрово выводит сечение формируемой детали.
Если отличия классической LSA технологии от DLP и LCD очевидны, то DLP и LCD-технологии засвечивания часто путают, что неправильно, т.к. каждая из этих технологий имеет свои особенности, которые влияют на возможности принтера, качество печати, и т.п.
Ниже дано краткое сравнение этих трех технологий по ряду параметров.
1. Размер области печати по XY
SLA-принтер - не ограничен, чем выше область печати, тем ниже скорость (лучу надо успеть «оббежать» большую площадь.
DLP-принтер - не ограничен, чем выше область печати, тем ниже скорость печати и ниже разрешающая способность принтера.
LCD-принтер - область печати жестко привязана к размеру LCD-дисплея.
2. Скорость печати
SLA-принтер - самый «медленный» из трех технологий. Связано это с последовательной засветной и низкой мощностью лазера.
DLP-принтер - самый «быстрый», связано с высокой мощностью проектора.
LCD-принтер - «средний» по скорости печати. Скорость печати связана с мощностью УФ-матриц. Мощность матрицы увеличивать бесконечно нельзя, т.к. мощные матрицы требуют мощного охлаждения, и начинают «пробивать» «трафарет» из LCD-дисплея.
SLA-принтер - минимальная
DLP-принтер - максимальная. Высокая засветка связана как с большой мощностью ламп проектора, так и с большей долей длинноволнового актиничного излучения в спектре.
LCD-принтер - средняя.
SLA-принтер - минимальная.
DLP-принтер - при правильной наводке на резкость - минимальная, но выше, чем у SLA.
5. Возможность использования прозрачных полимеров.
SLA-принтер - возможно использование без снижения качества печати.
6. Влияние окраски полимера на качество печати
SLA-принтер - несколько улучшает качество печати, использование сильноокрашенных полимеров может привести к снижению адгезии между слоями и невозможности использования полимера.
7. Факторы, влияющие на разрешающую способность (помимо свойств полимера и толщины слоя)
SLA-принтер - диаметр пятна лазера и точность позиционирования пятна. Типичные значения 100-200 мкм (для пятна лазера), 40…20 мкм (точность позиционирования)
DLP-принтер - размер пикселя и точность наводки на резкость. Типичное разрешение 1920х1080, соответственно размер пикселя зависит от области печати по XY.
8. Совместимость с полимерами.
SLA-принтер - плохая совместимость, полимеры могут не подойти под конкретный принтер из-за сильной окраски, и из-за «быстроты» (слишком «быстрые» или слишком «медленные»).
DPL- и LCD-принтеры - хорошая совместимость. Практически любой полимер, разработанный для LCD- и DLP-принтеров может быть использован на любом принтере. В целом DPL-принтер «любит» более окрашенные полимеры, а LCD-принтер - более «быстрые». Использование полимеров, разработанных для SLA-принтеров так же возможно, но требует проверки по каждому полимеру.
9. Ресурс отдельных элементов.
SLA-принтер - лазер - ресурс 3000 - 5000 и более часов.
DLP-принтер - лампа проектора, ресурс - несколько тысяч часов
LCD-принтер - LCD-экран - ресурс около 1000 часов, УФ-матрица - ресурс несколько тысяч часов.
10. Цена
SLA-принтеры - цены на бюджетные модели цена в пределах 190 000 - 400 000 р, «профессиональные» — от 400 000 р и выше
DLP-принтеры - цены на серийно-выпускаемые - 300 000 р и выше, цена самоделок (не считая стоимости проектора) - не выше 50 000
LCD-принтеры - цена 25 000 -50 000 р.
SLA-принтер - возможно как сверху вниз, так и снизу вверх.
DLP-принтер - возможно как сверху-вниз, так и снизу вверх.
LCD-принтер - только снизу вверх.
Надеюсь этот краткий обзор позволит читателям портала лучше понять особенности прнтеров, которые влияют на их характеристики.
Современные фотополимерные принтеры 3D-принтеры: лазерные, DLP, LCD
SLA — технология трехмерной печати, при которой жидкий фотополимер под действием светового излучения лазера меняет свои физические свойства и твердеет, образуя твердую поверхность в точке проекции лазера.
В емкость с жидким фотополимером помещается сетчатая платформа, на ней будет происходить выращивание прототипа. Изначально платформа находится на такой глубине, чтобы ее покрывал тончайший слой полимера толщиной от 0.05 до 0.15мм — это и есть приблизительная толщина слоя в стереолитографии. Далее включается лазер, который воздействует на те участки полимера, которые соответствуют стенкам целевого объекта, вызывая их затвердевание. После этого вся платформа погружается чуть глубже, на величину, равную толщине слоя. Также в этот момент специальная щетка орошает участки, которые могли остаться сухими вследствие некоторого поверхностного натяжения жидкости.
По завершению построения объект погружают в ванну со специальными составами для удаления излишков и очистки. И, наконец, финальное облучение для окончательного отвердевания. Как и многие другие методы 3D прототипирования, SLA требует возведения поддерживающих структур, которые вручную удаляются по завершении строительства.
Необходимо понимать , что из-за выборочного отвердевания накладываются жесткие двусторонние ограничения на компоненты и технологию процесса. Например, чем гуще смола изначально, тем легче её перевести в полимерное состояние, но и тем хуже её гидромеханические качества. Чем мощнее введенный в смолу фотоинициатор, тем меньшее время нужно слабому лазеру для засветки, но и тем меньшее время жизни у всего объёма смолы, так как он подвержен фоновой засветке. Именно золотая середина в технологии и компонентах является “ноу-хау” каждого производителя лазерных стереолитографов. Устройство и принцип действия таких машин у всех производителей идентичны, в любой SLA-машине возможно применение любого расходного материала после соответствующей настройки.
Одно из преимуществ 3D печати методом SLA — высокая точность прототипов, глакость поверхности и скорость. Большие объекты строятся в течения дня, хотя отдельные модели с особо сложной геометрией могут выращиваться до нескольких дней. Большинство SLA-машин работают с объектами размером примерно 50x50x60см, но есть и исключения. Среди недостатков SLA обычно называют высокую стоимость как расходного материала — смолы (100-300$ за литр), так и самих машины (от 100.000$ до миллиона и выше).
- Изготовление моделей любой сложности(тонкостенные детали, мелкая детали)
- Легкая обработка изготовленной детали
- Высокая точность построения и высокое качество поверхности
- Широта применяемых материалов, в том числе для по выжигаемым моделям
- Свойства применяемых полимеров позволяют использовать выращенный прототип в качестве готового изделия
- Традиционно большие, по сравнению с 3D принтерами, размеры рабочей камеры
- Низкий процент расходного материала на поддержку
- Низкий уровень шума стериолитографов
Недостатки технологии SLA:
- Необходимость механически отделять стержневидную поддержку от созданных прототипов
- Необходимость в процессе окончательной UV засветки. Выращенную деталь необходимо промыть, после чего поместить в ультрафиолетовую камеру для окончательного отверждения.
Технология SLA
Стереолитография (SLA или SL) – технология аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером или другим схожим источником энергии.История
Термин «стереолитография» был придуман в 1986 Чарльзом В. Халлом, запатентовавшим метод и аппарат для производства твердых физических объектов за счет последовательного наслоения фотополимерного материала. Патент Халла описывал применение ультрафиолетового лазера, проецируемого на поверхность емкости, заполненной жидким фотополимером. Облучение лазером ведет к затвердеванию материала в точках соприкосновения с лучом, что позволяет вычерчивать контуры заданной модели слой за слоем. В 1986 году Халл основал собственную компанию, для коммерческого продвижения новой технологии. На сегодняшний день является одним из мировых лидеров среди компаний-разработчиков и поставщиков технологий аддитивного производства.Технология
Метод основан на облучении жидкой фотополимерной смолы лазером для создания твердых физических моделей. Построение модели производится слой за слоем. Каждый слой вычерчивается лазером согласно данным, заложенным в трехмерной цифровой модели. Облучение лазером приводит к полимеризации (т.е. затвердеванию) материала в точках соприкосновения с лучом.Стереолитография позволяет создавать модели высокого разрешения
По завершении построения контура рабочая платформа погружается в бак с жидкой смолой на дистанцию, равную толщине одного слоя – как правило, от 0,05мм до 0,15мм. После выравнивания поверхности жидкого материала начинается процесс построения следующего слоя. Цикл повторяется до построения полной модели. После завершения постройки, изделия промываются для удаления остаточного материала и, при необходимости, подвергаются обработке в ультрафиолетовой печи до полного затвердевания фотополимера.
Стереолитография требует использования поддерживающих структур для построения навесных элементов модели, аналогично технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM) . Опоры предусматриваются в файле, содержащем цифровую модель, и выполняются из того же фотополимерного материала. По сути, опоры являются временными элементами конструкции, удаляемыми вручную после завершения процесса изготовления.
Преимущества и недостатки
Настольный стереолитографический принтер OWL Nano
Главным преимуществом стереолитографии можно считать высокую точность печати. Существующая технология позволяет наносить слои толщиной 15 микрон, что в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Точность изготовления достаточно высока для применения в производстве прототипов стоматологических протезов и ювелирных изделий. Скорость печати относительно высока, если учитывать высокое разрешение подобных устройств: время построения одной модели может составлять лишь нескольких часов, но в итоге зависит от размера модели и количества лазерных головок, используемых устройством одновременно. Относительно небольшие настольные устройства могут иметь область построения от 50 до 150мм в одном измерении. В то же время существуют промышленные установки, способные печатать крупногабаритные модели, где изделия измеряются уже в метрах. Готовые изделия могут обладать различными механическими свойствами в зависимости от заложенных характеристик фотополимера: существуют имитаторы твердых термопластиков, резины и других материалов.
Стереолитография позволяет создавать детали высокой сложности, но зачастую имеет высокую стоимость за счет относительно высокой цены расходных материалов. Один литр фотополимерной смолы может стоить от $80 до $120, в то время как стоимость устройств может варьироваться от $10 000 до $500 000. Высокая популярность технологии способствует разработке более доступных моделей, таких как от компании или от