Stereolitografia (w skrócie SLA), to matka wszystkich technologii addytywnych. To pierwsza metoda wytwarzania przyrostowego, która zapoczątkowała nowy nurt w obszarze szybkiego prototypowania i produkcji niskoseryjnej. Chociaż za oficjalną datę jej powstania przyjmuje się rok 1984, tak naprawdę prace koncepcyjne nad jej stworzeniem zapoczątkowane zostały w latach 60-tych ubiegłego wieku. Co ciekawe – mimo że za jej twórcę uznaje się Amerykanina Charlesa Hulla, źródła historyczne wskazują na kilka osób, które niezależnie od siebie pracowały nad jej powstaniem w różnych częściach świata.
Jak powstała stereolitografia, na czym polega proces technologiczny i co za jej pomocą można osiągnąć – o tym wszystkim dowiecie się z niniejszej części AKADEMII DRUKU 3D CANON.
Historia
Pierwsze prace naukowo-badawcze nad stworzeniem nowych metod wytwórczych w postaci przyrostowej datuje się na późne lata 60-te XX wieku, gdy naukowcy z Battelle Memorial Institute w stanie Ohio w USA przeprowadzili eksperyment polegający na naświetleniu żywicy dwoma wiązkami lasera o różnej długości fali, które ją utwardziły. W eksperymencie wykorzystano żywicę fotopolimerową, opracowaną w latach 50-tych przez koncern chemiczny DuPont. Niezależnie od tego, w 1967 r. Duńczyk Wyn K. Swainson zgłosił wniosek patentowy oparty o dokładnie to samo rozwiązanie.
Na początku lat 70-tych, firma Formigraphic Engine Co. opracowała proces o nazwie „photochemical machining” (obróbka fotochemiczna) prezentując w 1974 r. system zdolny wytworzenie obiektów przestrzennych za pomocą utwardzania żywicy wiązkami laserów. Kolejną firmą, która próbowała zaistnieć w tym segmencie było Dynell Electronics Corp., które stworzyło technologię o nazwie „solid photography„. Mimo tych wszystkich prób, osiągane efekty były dalekie od doskonałości i żadna z powyższych metod nigdy nie została skomercjalizowana. Z uwagi na to, żadna z nich nie zyskała specjalnego rozgłosu i nie zalicza się ich do kanonu technologii przyrostowych.
W latach 80-tych metodą wytwarzania obiektów przestrzennych przy użyciu żywicy światłoutwardzalnej i lasera zajęły się trzy osoby: Japończyk Hideo Kodama z Nagoya Municipal Industrial Research Institute, Francuz Alan Herbert z 3M Graphic Technologies Sector oraz Amerykanin Charles Hull – prezes założonej przez siebie firmy 3D Systems. Każdy z nich opracował podobną technologię i zgłosił ją do opatentowania. Jako pierwszy uczynił to Kodama w 1980 r., jednakże z uwagi na to, że nie był w stanie przedstawić działającego urządzenia, zgodnie z japońskim prawem patentowym jego patent wygasł. Jeszcze mniej szczęścia miał Herbert – efekty jego prac nie zostały docenione przez firmę, dla której pracował i stworzony przez niego proces wytwórczy trafił na półkę.
Hull jako pierwszy osiągnął na tym polu sukces! Swój wniosek patentowy złożył w 1984 r. – przyznano mu go dwa lata później. Rok 1986 jest zatem oficjalną datą powstania branży druku 3D na świecie, gdyż mając ochronę patentową firma Hulla rozpoczęła prace nad pierwszymi maszynami, które kilka lat później zaczęto określać mianem drukarek 3D. Pierwsze „aparatury stereolitogrficzne” w wersji beta trafiły do klientów pod koniec 1987 roku, a finalne, produkcyjne egzemplarze zostały dostarczone w kwietniu 1988 roku.
Co istotne, chwilę później tematem zainteresowały się duże koncerny – wspomniany DuPont, japońskie NTT Data CMET, którego udziałowcem było Mitsubishi oraz D-MEC – spółka joint venture współtworzona przez Sony. Maszyny stereolitograficzne były także produkowane przez Loctite – amerykańskiego producenta klejów, który od 1997 r. należy do koncernu Henkel. Firmy te rozwijały swoje technologie przez lata dziewięćdziesiąte i po części dwutysięczne, jednakże w ostatecznym rozrachunku dziś żadnej z nich nie ma już na tym rynku.
Od samego początku absolutnym potentatem w obszarze technologii druku 3D z żywic fotopolimerowych jest 3D Systems. Stereolitografia została wyniesiona na niedostępny dla innych firm poziom i cały czas stanowi główny obszar specjalizacji spółki.
Na czym polega metoda SLA?
Budowa modelu przestrzennego polega na polimeryzacji (fotoutwardzaniu) ciekłej żywicy wiązką lasera. Żywica znajduje się w zbiorniku, do którego zanurza się platforma (stół roboczy), do którego przywiera pierwsza warstwa utwardzonej żywicy, będąca podstawą drukowanego modelu. Następnie model unosi się, a tzw. zgarniacz nanosi i wyrównuje kolejną warstwę żywicy. Platforma zanurza się w niej ponownie, jednakże opuszcza się na wysokość zadanej warstwy (np. 25μ). Proces się powtarza i wiązka lasera utwardza kolejną warstwę modelu.
Laser nie naświetla żywicy bezpośrednio, tylko za pomocą lustra, które odbija jego wiązkę pod zadanym kątem. Oznacza to, że laser jest umiejscowiony zawsze nieruchomo, a za ruch jego wiązki odpowiada lustro.
Obiekty powstające przy pomocy SLA charakteryzują się wyjątkową precyzją i dokładnością odwzorowania geometrii, niedostępną dla innych metod jak popularne FDM czy SLS, gdzie dokładność jest determinowana m.in. przez średnicę głowicy z której nanoszony jest termoplast, bądź wysokość drukowanej warstwy i naprężeń cieplnych.
Zaletami SLA są m.in.:
- duża dokładność drukowanych geometrii
- możliwość budowania bardzo cienkich ścianek
- szeroka gama materiałów imitujących termoplasty
- możliwość drukowania elementów przezroczystych lub półprzezroczystych
- możliwość klejenia kilku modeli z wykorzystaniem tej samej żywicy, utwardzanej światłem UV.
Do wad można zaliczyć m.in.:
- toksyczne właściwości żywic przed utwardzeniem i konieczność przechowywania ich miejscach chronionych przed światłem
- brak możliwości łączenia kilku materiałów i kolorów w jednym procesie produkcyjnym
- konieczność przeprowadzania post-processingu, polegającego na oczyszczeniu wydrukowanego modelu z resztek nieutwardzonej żywicy
- nieumiejętne usuwanie struktur podporowych może wywołać ubytki na modelu.
Gdzie wykorzystywana jest stereolitografia?
Technologia SLA została powołana do życia jako tańsza alternatywa innych metod wytwórczych dla szybkiego prototypowania. Jej zaletą jest możliwość tworzenia modeli o skomplikowanej budowie wewnętrznej i zewnętrznej, wymagających dużej dokładności. Np. dzięki modelom wytworzonym z żywicy transparentnej jest możliwe stworzenie prototypów o widocznej strukturze wewnętrznej, co pozwala np. na badania śladów współpracy przekładni lub naprężeń.
Firma TecNiq używa drukarek 3D Systems ProJet 6000 aby usprawnić proces technologiczny powstawania produktów i wejść w nowe obszary biznesowe. Po stronie inżynierskiej TecNiq mógł zacząć eksperymentować z wydajniejszymi metodami produkcji i montażu plastikowych soczewek, przy jednoczesnym zmniejszeniu błędów projektowych. Po stronie biznesowej, druk 3D jest narzędziem przyciągającym nowych klientów.
Metoda stereolitografii sprawdza się również przy tworzeniu wyprasek do form wtryskowych. Ich prototypy tworzy się do sprawdzenia np. poprawności kształtu lub możliwości montażu formy. Przykładem wykorzystania metody SLA w tym obszarze jest case study firmy American Precision Prototyping (APP), które otrzymało zlecenie przeprojektowania, stworzenia prototypu i wykonania 150 odpornych nosidełek na butelki POWERADE na Mistrzostwa Świata w Piłce Nożnej 2014 FIFA World Cup. Czas jaki otrzymała firma to realizację zamówienia wynosił zaledwie 30 dni!
APP miało zaledwie tydzień na stworzenie projektu i uzyskanie finalnego akceptu od POWERADE. Firma wydrukowała prototyp nosidełka w skali 1:2 wykorzystując do tego drukarkę 3D SLA. Czas wydruku wyniósł 9 godzin. Klient po otrzymaniu prototypu naniósł na niego kilka zmian. Po ich uwzględnieniu w projekcie CAD, APP wydrukowało finalne nosidełka w skali 1:1, co zajęło 15 godzin. Wydruki posłużyły z jednej strony jako prototyp do finalnego akceptu klienta, a z drugiej jako podstawa do stworzenia formy silikonowej do odlewu.
W przemyśle lotniczym lub samochodowym drukuje się prototypy różnych elementów konstrukcyjnych, w celu prowadzenia badań nad aerodynamiką, przepływów chłodziw lub smarów w silnikach, czy sposobów montażu poszczególnych części. Modele wykonane tą metodą świetnie nadają się także do tworzenia na ich bazie form do odlewów.
Przykładem takiego wykorzystania technologii SLA jest team Lotus F1, który wykorzystuje wydrukowane modele elementów swoich bolidów wyścigowych w testach aerodynamicznych i laboratoryjnych. Technologia SLA nie tylko przyspiesza czas wprowadzenia krytycznych zmian do aut, lecz istotnie zmniejsza koszty wytwarzania prototypów.
W medycynie stereolitografia jest wykorzystywana m.in. do drukowania makiet ubytków kostnych lub prototypów implantów medycznych bądź narzędzi chirurgicznych. Drukowane są także obudowy do aparatów słuchowych.
Drukarki 3D typu SLA w ofercie Canon
Canon jako dystrybutor maszyn 3D Systems posiada w swojej ofercie następujące typy maszyn:
ProJet 6000
Występuje w trzech konfiguracjach zróżnicowanych pod względem obszaru roboczego:
- 250 × 250 × 250 mm
- 250 × 250 × 125 mm
- 250 × 250 × 50 mm.
Wysokość drukowanej warstwy wynosi od 0,025 mm do 0,05 mm. Rozdzielczość to 0,125 mm (tryb HD), 0,100 mm (tryb UHD) i 0,050 mm (tryb XHD). Korzysta z siedmiu rodzajów materiałów: VisiJet® SL Flex, VisiJet® SL Tough, VisiJet® SL Clear, VisiJet® SL Black, VisiJet® SL Impact, VisiJet® SL HiTemp i VisiJet® SL Jewel, dedykowanemu do sektora jubilerskiego. Materiał VisiJet® SL Clear posiada certyfikat USP klasy VI, dzięki czemu jest idealny do tworzenia produktów medycznych, np. aparatów słuchowych lub dentystycznych.
Jak wszystkie maszyny 3D Systems jest wyposażona w autorskie oprogramowanie sterujące i pracuje w środowisku sieciowym.
ProJet 7000 HD
Występuje w dwóch konfiguracjach zróżnicowanych pod względem obszaru roboczego:
- 380 × 380 × 250 mm
- 380 × 380 × 50 mm.
Wysokość drukowanej warstwy wynosi od 0,025 mm do 0,05 mm. Rozdzielczość to 0,125 mm (tryb HD), 0,100 mm (tryb UHD) i 0,050 mm (tryb XHD). Korzysta z tych samych materiałów co ProJet 6000. Urządzenie jest z powodzeniem wykorzystywane w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym, motoryzacyjnym, ciężkim, branży produktów konsumenckich i projektowania przemysłowego. Materiał VisiJet SL Black posiada właściwości ABS, z kolei odporność materiału VisiJet SL HiTemp na wysokie temperatury kształtuje się na poziomie 130ºC.
Pozostałe drukarki 3D typu SLA produkcji 3D Systems:
ProJet 1200
Mała drukarka 3D dedykowana dla przemysłu jubilerskiego o obszarze roboczym na poziomie 43 x 27 x 150 mm. Jest najtańszą drukarką 3D typu SLA w ofercie firmy.
ProX 800
Przemysłowa maszyna SLA, dedykowana dla branży lotniczej, motoryzacyjnej, odlewniczej oraz przemysłu ciężkiego. Charakteryzuje się bardzo dużym obszarem roboczym na poziomie 650 x 750 x 550 mm.
ProX 900
Największa maszyna typu SLA w ofercie 3D Systems, charakteryzująca się olbrzymim obszarem roboczym na poziomie aż 1500 x 750 x 550 mm.
Każdy typ maszyn ma dedykowane inne materiały: ProJet 1200 – VisiJet FTX, z kolei ProJety 6000 i 7000 – VisiJet SL / xPro – Accura. Są to różnego typu żywice, o specjalnie zaprojektowanych właściwościach, w tym pracujące w wysokiej temperaturze lub o wysokim module Young’a.
