Смольные 3D-принтеры: SLA, DLP и LED-LCD подробно объяснены

3D-печать фото полимеризующих смол набирала обороты в последние годы, став второй по популярности технологией 3D-печати после FFF как в профессиональной, так и в мейкерской среде. Этот бум стал результатом двух важных факторов. С одной стороны, снижение стоимости смольных 3D-принтеров благодаря появлению новых технологий поставило смольные принтеры в тот же ценовый сегмент, что и FFF. С другой — появление новых материалов, таких как стоматологические, гибкие и инженерные смолы, позволило производить смольные детали, которые ранее были жизнеспособны только с FDM или SLS.

Главная сила 3D смольной печати, привлекавшая внимание некоторых профессиональных секторов, таких как стоматология или ювелирное дело, — это высокое разрешение, которое она способна достичь, варьирующее от 50 мкм до 150 мкм в XY и от 30 мкм до 200 мкм в Z, что ниже минимального разрешения 3D FFF принтера. В результате смольно-напечатанные детали имеют высокое качество поверхности и высокий уровень детализации, давая им наивысшее эстетическое качество среди всех аддитивных технологий.

Основа 3D смольной печати

3D смольная печать основана на принципе, полностью отличающемся от используемого в большинстве технологий 3D-печати, таких как FFF или SLS. В то время как в них в качестве исходной точки используется термопластический полимер, нагреваемый до температуры плавления для формирования детали, смольная печать основана на полимеризации реактивной смеси мономеров и олигомеров путем выборочного приложения света. Это означает, что вместо использования пластика как сырья, в смольной печати используются базовые компоненты, составляющие пластик, и пластик формируется химической реакцией в процессе печати.

Смолы для 3D-печати состоят в основном из трех компонентов:

Мономеры и олигомеры: Это малые молекулы, которые реагируют друг с другом для образования длинных полимерных цепочек, которые являются фундаментальным компонентом пластика. Длина этих цепочек во многом определит их свойства.

Связующий агент (Cross-linking agent): Состоит из более крупных или меньших молекул с двумя или более реактивными группами, способных связываться в различных точках с полимерными цепочками. Его функция — удерживать цепочки прочно связанными между собой. В общем, пластики, сформированные в присутствии связующих агентов, дают так называемые термореактивные пластики или смолы.

Фотоинициатор: Он отвечает за продвижение реакции между мономерами или между ними и связующим агентом. Это органические молекулы, обычно красители или флуорофоры, способные производить катионы или свободные радикалы в присутствии света заданной длины волны, таким образом инициируя радикальную или катионную полимеризацию.

Свет, обычно синий (405 нм) или фиолетовый (365 нм - 385 нм), используется для активации фотоинициаторов и затвердевания смолы, так как это самая энергетическая полоса в видимом спектре. Для этого только области, которые будут частью детали, освещаются в каждом слое.

Изображение 1: Спектр видимого света. Источник: Wikipedia.com

Технологии 3D смольной печати определяются типом источника света и методом выборочного освещения. В настоящее время существует три распространенные технологии: SLA, DLP и LED-LCD.

3D SLA печать

3D SLA или стереолитография — самая старая коммерческая технология 3D-печати. Она была разработана в первой половине 1980-х и запатентована в 1986 году основателем 3D Systems Чаком Халлом, всего за три года до того, как основатель Stratasys Скотт Кранп запатентовал технологию FDM.

В 3D SLA печати смола отверждается с помощью лазерного луча диаметром от 150 до 300 мкм. Лазер сканирует поверхность каждого слоя, используя систему движущихся зеркал, называемую гальванометром. Главное преимущество этой технологии — высокая точность, которую она может достичь, особенно в центральной области строительной платформы, которую превосходит только SLS-технология.

Изображение 2: Процесс SLA печати. Источник 3Dhubs.com

Другое его преимущество, вытекающее частично из этой высокой точности, — это достижение превосходного качества поверхности по сравнению с DLP и LED-LCD, так как не представлен эффект «лесенки», который можно видеть в последних.

Изображение 3: Качество поверхности в 3D SLA и DLP печати. Источник: Formlabs.com

Однако не всё преимущества, так как это самая медленная технология смольной печати. Для каждого слоя необходимо просканировать всю поверхность детали лазером, что является медленным процессом, усиливающимся при размещении большего количества деталей в строительном пространстве. Кроме того, необходимо поддерживать скорости сканирования в определенном диапазоне, так как очень высокие скорости привели бы к потере точности, главной силе этой технологии.

Видео 1: Как работает SLA печать. Источник: Formlabs.com

Это технология, используемая известными принтерами Formlabs, эталонным брендом для смольной печати. Принтеры вроде Form 3 или Form 3B используют эту технологию в сочетании с высокоточными гальванометрами для предложения самых высоких стандартов качества в критических секторах таких как высокая ювелирка, стоматология или медицина.

Изображение 4: Принтер Form 3B. Источник: Formlabs.com

3D DLP печать

Технология DLP 3D-печати была разработана с целью сокращения времени 3D смольной печати. Вместо сканирования поверхности детали лазером, весь слой проецируется одновременно с помощью источника света, устройства, состоящего из массива движущихся микрозеркал, известного как DMD (Digital Micromirror Device), и набора линз, отвечающих за проецирование изображения на смолу.

Видео 2: Как работает DMD. Источник: TI.com

Эта технология стала революцией, так как каждый слой формируется за несколько секунд, а время печати независимо от количества деталей, размещенных на площадке, а только от их высоты.

Её главное недостаток в том, что разрешение печати определяется плотностью микрозеркал, формирующих DMD, и проецируемой поверхностью. Для той же DMD системы большая площадь печати всегда приведет к пропорциональному снижению разрешения, чего не происходит в SLA системах, где разрешение определяется диаметром лазерного луча и независимо от площади печати.

Кроме того, использование проекционных линз может вызывать искажения в областях, далеких от центра, которые больше при больших размерах построения. Можно исправить эти искажения с помощью более сложных оптических систем, однако они часто делают устройство очень дорогим и поэтому непопулярным.

Качество поверхности деталей обычно немного ниже, чем у SLA, и во многих случаях появляется эффект «лесенки».

Изображение 5: Эффект лесенки, обусловленный использованием квадратных вокселей в DLP. Источник: theorthocosmos.com

Хотя время печати было критически сокращено, эта технология не вытеснила SLA. Сегодня это технология, вышедшая в неупотребление, вытесненная главным образом появлением технологии LED-LCD.

3D LED-LCD или MSLA печать

Это последняя технология, вышедшая на рынок, и она пережила значительный рост в последние годы. Она была разработана как эволюция DLP технологии, и сегодня практически полностью её вытеснила.

Принцип работы похож на DLP технологию, однако вместо отражения света с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD), она использует LCD-устройство, в котором каждый пиксель действует как маленькое окно, блокирующее или пропускающее свет.

Изображение 6: SLA vs DLP vs MSLA. Источник: theorthocosmos.com

LCD-устройства — это те же, что используются в экранах мобильных телефонов, телевизоров или компьютерных панелей, поэтому стоимость намного ниже, чем у DMD устройств. Кроме того, они доступны в размерах от 3" до 80", поэтому проекция прямая и перпендикулярна базе по всей поверхности. Это избегает использования дорогих и сложных проекционных линзовых систем и искажений, которые они вызывают в DLP деталях.

Среди его главных преимуществ — высокая скорость печати и низкая стоимость. Кроме того, она превосходит DLP технологию в двух ключевых аспектах. Как отмечалось выше, перпендикулярная проекция предотвращает искажения от косоугольной проекции, предоставляемой линзами в DLP системах. Во-вторых, LCD-устройства не только блокируют или пропускают свет, но могут также фильтровать его, меняя интенсивность света независимо в каждом пикселе. Это позволяет использовать процессы сглаживания (anti-aliasing), которые уменьшают эффект лесенки и позволяют получать качество поверхности очень близкое к SLA.

.

Изображение 7: Субпиксельная выборка или антиалиасинг для избежания эффекта лесенки. Источник: hackaday.com

Всё это означало, что его рост в последние годы не только вытеснил DLP технологию, но начинает вытеснять SLA технологию в таких отраслях, как стоматология, где SLA является стандартом.

Одним из главных недостатков является высокий уровень нагрева, производимый используемыми LED-матрицами, что означает, что необходимо внедрять эффективные системы охлаждения для предотвращения нагрева смолы при длительных печатях.

Изображение 8: Жидкостная система охлаждения принтера Uniz. Источник: Uniz.com

Это технология, присутствующая во всех дешевых смольных 3D-принтерах и также в последних профессиональных моделях, таких как Uniz Slash.

Изображение 9: Принтер Uniz Slash Plus. Источник: Uniz.com

Какую технологию выбрать

Сегодня дилемма может быть сокращена до двух технологий: SLA или LED-LCD.

Несмотря на рост LED-LCD технологии, SLA технология всё еще большинство в профессиональных средах. Есть две причины для этого: во-первых, высокое качество и точность, достижимые SLA с принтерами вроде Formlabs, трудно повторить. Во-вторых, новые технологии нуждаются в переходном периоде, чтобы завоевать место в компаниях из-за необходимости амортизации текущего оборудования и недоверия к новым системам с низкой внедренностью в их секторе.

Однако новые профессиональные LED-LCD принтеры, такие как Uniz, могут дать важное конкурентное преимущество, позволяя производить малые серии с качеством, похожим на SLA, и за долю времени. Например, в производстве моделей для литья в выплавимые модели, широко используемом в некоторых отраслях ювелирного дела, что может привести к значительной экономии не только во времени и ресурсах, но и в затратах.

Решение между одной или другой должно основываться на потребностях пользователя между точностью и производственной мощностью. Во многих случаях их следует рассматривать не как конкурирующие технологии, а как взаимодополняющие, имея один станок, посвященный производству малых серий, и другой для более тонких и точных работ.