SLA, или стереолитография, — это широко используемый процесс 3D-печати и наиболее популярная из технологий печати с использованием смол. Процесс приобрел свою популярность в области аддитивного производства благодаря способности производить прототипы, которые являются точными, изотропными и герметичными, а также детали производства с впечатляющей гладкостью поверхности и более детализированными особенностями.

Несмотря на множество преимуществ, определить, принесет ли SLA наилучшие результаты для ваших конкретных деталей, может быть сложно. В этом введении в SLA мы охватываем основные принципы процесса, чтобы определить, подходит ли он для вашего применения.

Что такое SLA (стереолитография)?

Стереолитография (SLA) — это процесс аддитивного производства, относящийся к семейству фотополимеризации в ванне. Также известная как печать смолой, существует три основные технологии 3D-печати, связанные с полимеризацией в ванне: SLA, DLP и LCD. Все три технологии используют источник света для отверждения фотополимерной смолы, но с следующими различиями:

Стереолитография (SLA) использует УФ-лазеры в качестве источника света для избирательного отверждения полимерной смолы. Цифровая световая обработка (DLP) использует цифровой проектор в качестве источника УФ-света для отверждения слоя смолы. Жидкокристаллический дисплей (LCD) использует модуль ЖК-дисплея для проецирования определенных световых узоров.

SLA — одна из самых широко используемых технологий фотополимеризации в ванне. Она создает объекты, избирательно отверждая полимерную смолу, слой за слоем, с помощью ультрафиолетового (УФ) лазерного луча. Материалы, используемые в SLA, являются фоточувствительными термореактивными полимерами, которые находятся в жидкой форме.

Запатентованная в 1986 году, SLA была первой технологией 3D-печати. И даже сегодня SLA все еще является наиболее экономичной технологией 3D-печати, когда необходимы детали с очень высокой точностью или гладкостью поверхности. Лучшие результаты достигаются, когда дизайнер использует преимущества и ограничения процесса производства.

Как работает 3D-печать SLA?

3D-печать SLA начинается с того, что платформа построения помещается в бак с жидким фотополимером на расстоянии одного слоя от поверхности жидкости.

УФ-лазер создает следующий слой, избирательно отверждая и затвердевая фотополимерную смолу.

В процессе затвердевания фотополимеризации мономерные углеродные цепи, составляющие жидкую смолу, активируются светом УФ-лазера и становятся твердыми, создавая прочные несгибаемые связи между собой.

Лазерный луч фокусируется по заранее определенному пути с помощью набора зеркал, называемых галво. Вся поперечная площадь модели сканируется, чтобы произведенная деталь была полностью твердой.

После печати деталь находится в состоянии, когда она не полностью отверждена. Она требует дальнейшей постобработки под УФ-светом, если требуются очень высокие механические и тепловые свойства.

Процесс фотополимеризации необратим, и нет способа вернуть детали SLA обратно в жидкую форму. Нагрев этих деталей SLA приведет к их сгоранию, а не плавлению. Это связано с тем, что материалы, произведенные с помощью SLA, состоят из термореактивных полимеров, в отличие от термопластов, которые используются в технологии моделирования с депонированием расплава (FDM).

Какие параметры печати у SLA?

Большинство параметров печати в системах SLA фиксируются производителем и не могут быть изменены. Единственными входными параметрами являются высота слоя и ориентация детали (последняя определяет расположение опор).

Высота слоя: колеблется от 25 до 100 микрон. Меньшая высота слоя более точно захватывает кривые геометрии, но увеличивает время постройки и стоимость — и вероятность неудачной печати. Высота слоя 100 микрон подходит для большинства общих приложений.

Размер построения: это еще один параметр, который важен для дизайнера. Размер построения зависит от типа машины SLA. Существует два основных типа установки машин SLA: ориентация сверху вниз и ориентация снизу вверх:

Принтеры с ориентацией сверху вниз размещают источник лазера над резервуаром, и деталь строится вверх. Платформа для построения начинает с самого верха резервуара с смолой и опускается вниз после каждого слоя.

Принтеры с ориентацией снизу вверх размещают источник света под резервуаром с смолой, и деталь строится вверх ногами. Резервуар имеет прозрачное дно с силиконовым покрытием, которое позволяет свету лазера проходить, но предотвращает прилипание отвержденной смолы к нему. После каждого слоя отвержденная смола отрывается от дна резервуара, так как платформа для построения движется вверх. Это называется этапом отслаивания. Основные характеристики 3D-печати SLA — это необходимость в поддерживающих структурах, усадка и сцепление слоев.

Поддерживающие структуры

Поддерживающая структура всегда требуется в SLA. Поддерживающие структуры печатаются из того же материала, что и деталь, и должны быть вручную удалены после печати. Ориентация детали определяет расположение и количество поддержки. Рекомендуется ориентировать деталь так, чтобы визуально критичные поверхности не соприкасались с поддерживающими структурами.

Принтеры SLA с ориентацией сверху вниз и снизу вверх используют поддержку по-разному:

Принтеры SLA с ориентацией сверху вниз: Требования к поддержке аналогичны требованиям для FDM. Поддержка необходима для точной печати нависов и мостов (критический угол нависа обычно составляет 30 градусов). Деталь может быть ориентирована в любом положении, и обычно они печатаются горизонтально, чтобы минимизировать количество поддержки и общее число слоев.

Принтеры SLA с ориентацией снизу вверх: Требования к поддержке могут быть более сложными. Навис и мосты все еще должны поддерживаться, но минимизация поперечного сечения каждого слоя является наиболее важным критерием: силы, применяемые к детали во время этапа отслаивания, могут вызвать ее отсоединение от платформы для построения. Эти силы пропорциональны поперечному сечению каждого слоя. По этой причине детали ориентируются под углом, и сокращение поддержки не является основной задачей.

Усадка

Одна из самых больших проблем, связанных с точностью деталей, произведенных с помощью SLA, — это усадка. Усадка аналогична деформации в FDM.

Во время процесса отверждения смола немного сжимается при воздействии источника света принтера. Когда сжатие значительно, возникают большие внутренние напряжения между новым слоем и ранее затвердевшим материалом, что приводит к деформации детали.

Поддержка важна для того, чтобы закрепить участки печати, подверженные риску, на платформе для построения и снизить вероятность усадки. Ориентация детали и ограничение больших плоских слоев также важны. Перенасыщение (например, воздействие прямого солнечного света после печати) также может вызвать усадку.

Лучший способ предотвратить усадку — учитывать это во время процесса проектирования. Избегайте больших тонких и плоских областей, где это возможно, или добавьте структуру, чтобы предотвратить деформацию детали.

Сцепление слоев

Детали, напечатанные с помощью SLA, имеют изотропные механические свойства. Это происходит потому, что одного прохода УФ-лазера недостаточно для полного отверждения жидкой смолы. Поздние проходы лазера помогают ранее затвердевшим слоям сплавиться друг с другом до очень высокого уровня. На самом деле, отверждение продолжается даже после завершения процесса печати.

Для достижения наилучших механических свойств детали SLA должны быть подвергнуты пост-отверждению, поместив их в специальный бокс для отверждения под интенсивным УФ-светом (а иногда при повышенных температурах). Это значительно улучшает жесткость и термостойкость детали SLA, но делает ее более хрупкой. Результаты пост-отверждения означают:

Тестовые образцы деталей, напечатанных на стандартной прозрачной смоле с использованием настольного принтера SLA, имеют почти в два раза большую прочность на разрыв после отверждения (65 МПа по сравнению с 38 МПа).

Детали могут работать под нагрузкой при более высоких температурах (максимальная температура 58ºC по сравнению с 42ºC).

Удлинение при разрыве почти в два раза меньше (6,2% по сравнению с 12%).

Оставление детали, напечатанной с помощью SLA, на солнце также может вызвать отверждение. Хотя рекомендуется покрыть деталь прозрачным УФ-акриловым лаком перед использованием, так как продолжительное воздействие УФ-света может негативно повлиять на физические свойства и внешний вид деталей SLA — они могут деформироваться, стать хрупкими или изменить цвет.

Точность печати SLA

SLA является одной из самых точных форм 3D-печати. Она может достигать разрешения слоев 25 микрон или меньше, и толщины слоев до 10 микрон. Обычно промышленные принтеры SLA более точны, чем настольные машины, с типичной dimensional accuracy ± 0.2%, с нижним пределом ± 0.13 мм (± 0.005 дюйма).

Точность SLA позволяет создавать детали с очень узкими допусками, а также детали с замысловатыми деталями и сложной геометрией. Однако точность печати SLA зависит от нескольких факторов, включая следующие.

Толщина слоя. Чем тоньше слои вашей печати, тем более тонкие детали вашей детали могут быть, что способствует более высокой точности.

Размер лазерного пятна. Диаметр лазерного луча принтера определяет минимальный размер особенности и влияет на точность принтера.

Свойства материала. Характеристики смолы, такие как вязкость и пигментация, могут влиять на точность размеров детали и качество поверхности. Смолы с низкой вязкостью и высоким уровнем пигментации обычно приводят к более точным печатям.

Ориентация печати. Детали, напечатанные в разных ориентациях, могут проявлять различия в точности из-за таких факторов, как поддерживающие структуры и динамика потока смолы.

Какие материалы используются для печати SLA?

Материалы SLA представлены в виде жидких смол, которые можно выбрать в зависимости от конечного использования детали — например, термостойкость, гладкость поверхности или стойкость к абразивному износу. Таким образом, цена смолы варьируется значительно, от примерно 50 долларов за литр для стандартного материала до 400 долларов за литр для специализированных материалов, таких как литейные или стоматологические смолы. Промышленные системы предлагают более широкий ассортимент материалов, чем настольные принтеры SLA, что дает дизайнеру более точный контроль над механическими свойствами печатной детали.

Материалы SLA (термореактивные) более хрупкие, чем материалы, производимые с помощью FDM или SLS (термопласты), и по этой причине детали SLA обычно не используются для функциональных прототипов, которые будут подвергаться значительным нагрузкам. Прогресс в материалах может изменить это в ближайшем будущем.