Кіріспе

3D-баспа техникасы

Стереолитография (SLA немесе SL; сондай-ақ ванналық фотополимеризация, оптикалық өндіріс, фотоқаттыну немесе шайыр басып шығару деп те аталады) – фотохимиялық процестерді қолдана отырып, қабаттар бойынша модельдер, прототиптер, пішіндер және өндірістік бөлшектер жасауға арналған 3D-баспа технологиясының бір түрі. Бұл процесте жарық химиялық мономерлер мен олигомерлердің бір-бірімен байланысып полимерлерге айналуына себеп болады. Осы полимерлер үш өлшемді қатты дене құрайды. Бұл саладағы зерттеулер 1970 жылдары басталған, бірақ 1984 жылы Чак Халл процеске патент алуға өтініш берген кезде бұл термин қалыптасты. Патент 1986 жылы берілді. Стереолитографияны әзірлену үстіндегі өнімдердің, медициналық модельдердің, компьютерлік жабдықтардың және көптеген басқа да қолданбалардың прототиптерін жасау үшін пайдалануға болады. Стереолитография жылдам және дерлік кез келген дизайнды жасауға мүмкіндік береді, бірақ ол қымбатқа түсуі мүмкін.

Тарих

Стереолитография немесе "SLA" басып шығару – 3D басып шығарудың алғашқы және кеңінен қолданылатын технологиясы. 1980 жылдардың басында жапон ғалымы Хидео Кодама фотосезімтал полимерлерді ультракүлгін сәуле арқылы керсетуді пайдаланып, стереолитографияның қазіргі қабатты тәсілін алғаш рет ойлап тапты. 1984 жылы Чак Халл өзінің патентын тіркеуге асыққан кезде Ален Ле Мехоут, Оливье де Витт және Жан Клод Андре стереолитография процесіне патент тапсырды. Француз өнертапқыштарының патенттік өтініші француздық General Electric Company (қазіргі Alcatel Alsthom) және CILAS (The Laser Consortium) компаниялары тарапынан қабылданбады. Ле Мехоут мұның Франциядағы инновациялық дамудың тоқтап қалуымен байланысты екенін айтады. "Стереолитография" термині (грек тілінен: stereo – қатты, lithography – тасқа басу) 1984 жылы Чак Халл осы процеске патент алғанда пайда болды. Халл стереолитографияны 3D нысандарды ультракүлгін сәулемен керсетілетін материалдың жұқа қабаттарын біртіндеп "басып шығару" арқылы жасау әдісі ретінде патенттеді, бастапқы қабаттан жоғарғы қабатқа дейін. Халлдің патентынде сұйық фотополимермен толтырылған ыдыстың бетіне шоғырланған ультракүлгін сәуленің әсері сипатталған. Сәуле сұйық фотополимердің бетіне бағытталады, бұл полимерлердегі молекулалық байланыстардың құрылуы (төрайналдыру) арқылы қажетті 3D нысанның әрбір қабатын жасайды. Бұл технология инженерлерге өздерінің жобаларының прототиптерін уақытты үнемдеп жасауға мүмкіндік беру үшін ойлап табылды. 1986 жылы патент берілгеннен кейін стереолитографияның автомобиль өнеркәсібіндегі жетістіктері 3D басып шығарудың өнеркәсіптік деңгейге жеткеніне ықпал етті және технология көптеген ғылыми салаларда инновациялық қолданыс табады. Стереолитография процесінің математикалық модельдерін жасауға және ұсынылған нысанды 3D басып шығару арқылы жасау мүмкіндігін анықтау үшін алгоритмдерді әзірлеуге әрекеттер жасалды.

Технология

Стереолитография – бұл аддитивті өндіріс процесі, оның ең көп таралған түрінде ультракүлгін (УК) лазер фотополимер шайырына бағытталады. Компьютерлік көмекпен өндіріс немесе компьютерлік көмекпен жобалау (CAM/CAD) бағдарламалық қамтамасының көмегімен УК лазері фотополимер ыдысының бетіне алдын ала бағдарламаланған сурет немесе пішін салады. Фотополимерлер ультракүлгін сәулеге сезімтал болғандықтан, шайыр фотохимиялық жолмен қатаяды және қажетті 3D нысанының бір қабатын құрайды. Содан кейін, құрастыру платформасы бір қабатқа төмендейді және жақтау резервуардың үстіңгі жағын шайырмен жаңадан жабады. Мөлдір түбі бар ыдысты пайдаланып, УК немесе терең көк полимерлеу лазерін ыдыстың түбінен жоғары қарай бағыттап, нысандарды "төменнен жоғарыға" басып шығаруға да болады.

Медициналық модельдеу

Стереолитографиялық модельдер 1990 жылдардан бері медицинада қолданылып келеді, науқастың әртүрлі анатомиялық аймақтарының нақты 3D модельдерін жасау үшін, компьютерлік сканерлеу деректеріне сүйене отырып. Медициналық модельдеу алдымен КТ, МРТ немесе басқа сканерлеуді алуды қамтиды. Бұл деректер адам анатомиясының қималық кескіндерінен тұрады. Осы кескіндерде әртүрлі тіндер сұр түстің әртүрлі деңгейлерімен көрінеді. Сұр түсті мәндердің диапазонын таңдау арқылы нақты тіндерді бөліп алуға болады. Содан кейін қызығушылық аймағы таңдалады және осы сұр мәндер диапазонындағы мақсатты нүктеге қосылған барлық пиксельдер таңдалады. Бұл белгілі бір органды таңдауға мүмкіндік береді. Бұл процесс сегментация деп аталады. Сегменттелген деректерді стереолитографияға қолайлы форматқа түрлендіруге болады. Стереолитография көбінесе дәл болғанымен, медициналық модельдің дәлдігі көптеген факторларға, әсіресе сегментацияны дұрыс орындаған операторға байланысты. Стереолитографияны қолдана отырып медициналық модельдер жасау кезінде қателер болуы мүмкін, бірақ тәжірибе және жақсы оқытылған операторлардың көмегімен олардан аулақ болуға болады. Стереолитографиялық модельдер диагностикаға, операцияға дейінгі жоспарлауға, имплантаттарды жобалау мен өндіруге көмектеседі. Мысалы, бұл остеотомияны жоспарлау және дайындауды қамтиды. Хирургтар операцияларды жоспарлау үшін модельдерді пайдаланады, ал протезистер мен технологтар да арнайы имплантаттарды жобалау және өндіру үшін модельдерді қолданады. Мысалы, стереолитография арқылы жасалған медициналық модельдер краниопластикалық пластиналарды жасауға көмектесу үшін пайдаланылуы мүмкін. 2019 жылы Райс университетінің ғалымдары "Science" журналында биологиялық зерттеулерде қолданылатын стереолитография үшін жұмсақ гидрогель материалдарын ұсынған мақала жариялады.

Үлгілеу

Стереолитография көбінесе бөлшектерді прототиптеу үшін қолданылады. Стереолитография салыстырмалы түрде арзан бағамен тіпті қисық пішіндердегі де дәл прототиптерді шығарады. Кәсіпорындар осы прототиптерді өнімдерінің дизайнын бағалау үшін немесе түпкілікті өнімді жарнамалау үшін пайдалана алады, сондай-ақ инъекциялық қалыптау немесе әртүрлі металл құю процестері үшін бас үлгілер жасауға қолдануға болады. Дегенмен, 3D-басып шығаруға қоғамның қызығушылығы тұтынушыларға арналған SLA машиналарын жасауға түрткі болды, олардың құны айтарлықтай төмен. 2016 жылдан бастап SLA және DLP әдістерін жоғары ажыратымдылық және жоғары контрастты LCD панельдерді пайдалану арқылы алмастыру бағаларды 200 доллардан төменге түсірді. Қабаттар толығымен жасалады, себебі бүкіл қабат LCD экранында көрсетіледі және төмен орналасқан UV LED шамдар арқылы әсер етеді. 0,01 мм дейінгі ажыратымдылыққа қол жеткізуге болады. Тағы бір кемшілігі – фотополимерлер жабысқақ, қиын өңделетін және оларды сақтықпен ұстау қажет. Жаңадан жасалған бөлшектерді жуу, қосымша кептіру және кептіру қажет. Осы процестердің қоршаған ортаға тигізетін әсерін толық түсіну үшін қосымша зерттеулер қажет, бірақ жалпы алғанда SLA технологиялары ыдырайтын немесе компосталатын түрдегі шайырды жасамайды, ал басқа 3D-басып шығару әдістері кейбір компосталатын PLA нұсқаларын ұсынады. Материалдарды таңдау мүмкіндігі FFF технологиясына қарағанда шектеулі, ол дерлік кез келген термопластикті өңдей алады.