Введение
Стереолитография (SLA или SL; также известна как ват-фотополимеризация, оптическое моделирование, фотоотверждение или печать из смолы) – это технология 3D-печати, используемая для создания моделей, прототипов, оснастки и готовых изделий послойным методом с применением фотохимических процессов, в ходе которых свет вызывает сшивание химических мономеров и олигомеров с образованием полимеров. Эти полимеры формируют объемное твердое тело. Исследования в этой области начались в 1970-х годах, но термин был введен Чаком Халлом в 1984 году, когда он подал заявку на патент на этот процесс, который был получен в 1986 году. Стереолитография применяется для создания прототипов разрабатываемых продуктов, медицинских моделей и компонентов компьютерной техники, а также во многих других областях. Несмотря на высокую скорость и возможность создания практически любой формы, стереолитография может быть дорогостоящей.
Stereolithography (SLA or SL; also known as vat photopolymerisation, optical fabrication, photo solidification, or resin printing) is a form of 3D printing technology used for creating models, prototypes, patterns, and production parts in a layer by layer fashion using photochemical processes by which light causes chemical monomers and oligomers to cross link together to form polymers. Those polymers then make up the body of a three dimensional solid. Research in the area had been conducted during the 1970s, but the term was coined by Chuck Hull in 1984 when he applied for a patent on the process, which was granted in 1986. Stereolithography can be used to create prototypes for products in development, medical models, and computer hardware, as well as in many other applications. While stereolithography is fast and can produce almost any design, it can be expensive.
История
Стереолитография или печать "SLA" – ранняя и широко используемая технология 3D-печати. В начале 1980-х годов японский исследователь Хидео Кодама первым предложил современный послойный подход к стереолитографии, используя ультрафиолетовый свет для отверждения фоточувствительных полимеров. В 1984 году, незадолго до подачи собственной патентной заявки Чаком Халлом, Ален Ле Мехоут, Оливье де Витте и Жан-Клод Андре подали заявку на патент на процесс стереолитографии. Патентная заявка французских изобретателей была отклонена французской компанией General Electric (ныне Alcatel Alsthom) и CILAS (Лазерный консорциум). Ле Мехоут полагает, что отказ от заявки отражает проблему внедрения инноваций во Франции. Термин "стереолитография" (от греч. stereo – твердый и lithography – литография) был введен Чаком Халлом в 1984 году при подаче им патентной заявки на этот процесс. Халл запатентовал стереолитографию как метод создания 3D-объектов путем последовательного "печатания" тонких слоев объекта с использованием материала, отверждаемого ультрафиолетовым светом, начиная с нижнего слоя и до верхнего. Патент Халла описывал концентрированный луч ультрафиолетового света, сфокусированный на поверхности емкости, заполненной жидким фотополимером. Луч фокусируется на поверхности жидкого фотополимера, создавая каждый слой желаемого 3D-объекта посредством сшивания (образования межмолекулярных связей в полимерах). Изобретение было направлено на то, чтобы предоставить инженерам возможность создавать прототипы своих разработок более оперативно. После получения патента в 1986 году, успех стереолитографии в автомобильной промышленности способствовал признанию 3D-печати как промышленной технологии, и эта технология продолжает находить инновационные применения в различных областях исследований. Предпринимались попытки построения математических моделей процессов стереолитографии и разработки алгоритмов для определения возможности создания предложенного объекта с использованием 3D-печати.
Stereolithography's success in the automotive industry allowed 3D printing to achieve industry status and the technology continues to find innovative uses in many fields of study. Attempts have been made to construct mathematical models of stereolithography processes and to design algorithms to determine whether a proposed object may be constructed using 3D printing.
Технология
Стереолитография — это аддитивный производственный процесс, который в наиболее распространенной форме работает путем фокусировки ультрафиолетового (УФ) лазера на емкость с фотополимерной смолой. С помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования и производства (CAD/CAM) УФ-лазер используется для прорисовки заранее запрограммированного дизайна или формы на поверхности фотополимерной смолы. Фотополимеры чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому смола фотохимически затвердевает, формируя один слой желаемого 3D-объекта. Затем строительная платформа опускается на толщину одного слоя, а лезвие разравнивает поверхность смолы в емкости. Также возможно печатать объекты "снизу вверх", используя емкость с прозрачным дном и фокусируя УФ- или глубоко-синий полимеризационный лазер вверх через дно емкости.
Медицинское моделирование
Стереолитографические модели используются в медицине с 1990-х годов для создания точных трехмерных моделей различных анатомических областей пациента на основе данных компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии или других видов сканирования. Медицинское моделирование начинается с получения данных КТ, МРТ или другого сканирования. Эти данные состоят из серии поперечных изображений анатомии человека. На этих изображениях различные ткани отображаются разными оттенками серого. Выбор определенного диапазона оттенков серого позволяет изолировать конкретные ткани. Затем выбирается интересующая область, и выбираются все пиксели, связанные с целевой точкой в пределах этого диапазона оттенков серого. Это позволяет выделить конкретный орган. Этот процесс называется сегментацией. Сегментированные данные затем преобразуются в формат, подходящий для стереолитографии. Хотя стереолитография обычно точна, точность медицинской модели зависит от множества факторов, особенно от правильности выполнения сегментации оператором. При создании медицинских моделей с помощью стереолитографии возможны ошибки, но их можно избежать благодаря практике и обученным специалистам. Стереолитографические модели используются в качестве вспомогательного средства для диагностики, предоперационного планирования, а также для разработки и изготовления имплантатов. Это может включать планирование и отработку остеотомий, например. Хирурги используют модели для планирования операций, а протезисты и технологи – для разработки и изготовления индивидуально подобранных имплантатов. Например, медицинские модели, созданные с помощью стереолитографии, могут использоваться при изготовлении пластин для краниопластики. В 2019 году ученые из Университета Райса опубликовали статью в журнале Science, в которой представили мягкие гидрогелевые материалы для стереолитографии, применяемые в биологических исследованиях.
Прототипирование
Стереолитография часто используется для создания прототипов деталей. За относительно небольшую цену стереолитография позволяет создавать точные прототипы, даже сложных форм. Предприятия могут использовать эти прототипы для оценки дизайна своего продукта или в качестве рекламного материала для готового изделия, а также для изготовления мастер-моделей для литья под давлением или различных процессов литья металлов. Однако возросший общественный интерес к 3D-печати стимулировал разработку нескольких потребительских SLA-принтеров, которые могут стоить значительно дешевле. Начиная с 2016 года, замена методов SLA и DLP использованием ЖК-панелей высокого разрешения и высокой контрастности привела к снижению цен ниже 200 долларов. Слои создаются целиком, поскольку весь слой отображается на ЖК-экране и подвергается воздействию УФ-светодиодов, расположенных под ним. Достижимое разрешение составляет 0,01 мм. Другой недостаток заключается в том, что фотополимеры липкие, трудно поддаются очистке и требуют осторожного обращения. Новые детали необходимо промыть, дополнительно отвердить и высушить. Экологическое воздействие всех этих процессов требует дальнейшего изучения, но в целом технологии SLA не предлагают биоразлагаемых или компостируемых смол, в то время как другие методы 3D-печати предоставляют некоторые варианты компостируемого PLA. Выбор материалов ограничен по сравнению с FFF, который может обрабатывать практически любой термопластик.