Стереолитография

Стереолитография (SLA или SL) – технология аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером или другим схожим источником энергии. 

Термин «стереолитография» был придуман в 1986 Чарльзом В. Халлом, запатентовавшим метод и аппарат для производства твердых физических объектов за счет последовательного наслоения фотополимерного материала. Патент Халла описывал применение ультрафиолетового лазера, проецируемого на поверхность емкости, заполненной жидким фотополимером. Облучение лазером ведет к затвердеванию материала в точках соприкосновения с лучом, что позволяет вычерчивать контуры заданной модели слой за слоем. В 1986 году Халл основал собственную компанию, 3D Systems, для коммерческого продвижения новой технологии. На сегодняшний день 3D Systems является одним из мировых лидеров среди компаний-разработчиков и поставщиков технологий аддитивного производства.

Аббревиатура SLA (StereoLithography Apparatus - стереолитографическое оборудование) впоследствии "прижилась" для обозначения не оборудования, а собственно технологии, и сейчас вполне правильными считаются словосочетания "SLA-машина" или "Установка, работающая по SLA-технологии".

Технология

Технология лазерной стереолитографии основана на фотоинициированной лазерным излучением или излучением ртутных лампполимеризации фотополимеризующейся композиции (ФПК).

С помощью этой технологии спроектированный на компьютере трёхмерный объект выращивается из жидкой ФПК последовательными тонкими (0,1-0,2 мм) слоями, формируемыми под действием лазерного излучения на подвижной платформе, погружаемой в ванну с ФПК.

Лазерная стереолитография позволяет в кратчайшие сроки (от нескольких часов до нескольких дней) пройти путь от конструкторской или дизайнерской идеи до готовой модели детали.

Олигомерное вещество по химической структуре отличается от полимерного (пластик, резина) тем, что его молекулы-цепочки не бесконечно большие, а относительно короткие, состоящие из ограниченного количества звеньев-мономеров. Под воздействием специального реагента молекулы могут соединяться между собой и быстро создавать полимерные цепочки - вещество из вязкой жидкости становится твёрдым, полимеризуется.

В качестве бытового примера часто приводят эпоксидную смолу. Это двухкомпонентый клей, содержащий олигомерную "основу" и реагирующий с ней "отвердитель". При реакции состав полимеризуется по всему объёму, приклеиваясь к пропитанной поверхности.

Изначально платформа находится на такой глубине, чтобы ее покрывал тончайший слой полимера толщиной от 0.05 до 0.15 мм - это и есть приблизительная толщина слоя в стереолитографии. Далее включается лазер, который воздействует на те участки полимера, которые соответствуют стенкам целевого объекта, вызывая их затвердевание. После этого вся платформа погружается чуть глубже, на величину, равную толщине слоя. Также в этот момент специальная щетка орошает участки, которые могли остаться сухими вследствие некоторого поверхностного натяжения жидкости. По завершению построения объект погружают в ванну со специальными составами для удаления излишков и очистки. И, наконец, финальное облучение светом для окончательного отвердевания. Как и многие другие методы 3D-прототипирования, SLA требует возведения поддерживающих структур, которые вручную удаляются по завершении строительства.

Необходимо понимать, что из-за выборочного отвердевания накладываются жесткие двусторонние ограничения на компоненты и технологию процесса. Например, чем гуще смола изначально, тем легче её перевести в полимерное состояние, но и тем хуже её гидромеханические качества. Чем мощнее введенный в смолу фотоинициатор, тем меньшее времени нужно слабому лазеру для засветки, но и тем меньшее время жизни у всего объёма смолы, так как он подвержен фоновой засветке. Именно золотая середина в технологии и компонентах является “ноу-хау” каждого производителя лазерных стереолитографов.

Стереолитографическое биомоделирование является высокоэффективным диагностическим средством при лечении пациентов с различными видами патологии черепно-челюстно-лицевой области, что подтверждается успешным проведением различных хирургических вмешательств с использованием данной технологии.

Метод компьютерного моделирования, который является одним из этапов получения СЛ модели, может быть использован самостоятельно для диагностики переломов лицевых костей

Преимущества и недостатки

Главным преимуществом стереолитографии можно считать высокую точность печати. Существующая технология позволяет наносить слои толщиной 15 микрон, что в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Точность изготовления достаточно высока для применения в производстве прототипов стоматологических протезов и ювелирных изделий.

Скорость печати относительно высока, если учитывать высокое разрешение подобных устройств: время построения одной модели может составлять лишь нескольких часов, но в итоге зависит от размера модели и количества лазерных головок, используемых устройством одновременно. Относительно небольшие настольные устройства могут иметь область построения от 50 до 150 мм в одном измерении. Готовые изделия могут обладать различными механическими свойствами в зависимости от заложенных характеристик фотополимера: существуют имитаторы твердых термопластиков, резины и других материалов. 

Стереолитография позволяет создавать детали высокой сложности, но зачастую имеет высокую стоимость за счет относительно высокой цены расходных материалов. Один литр фотополимерной смолы может стоить от $80 до $120, в то время как стоимость устройств может варьироваться от $10 000 до $500 000. 

Практические рекомендации

  1. Для получения СЛ модели высокой точности необходимо производить первичное сканирование (компьютерную томографию) в режиме наибольшего разрешения с минимальной толщиной скана.
  2. Перед началом сканирования (КТ) необходимо уделить внимание психологической подготовке пациента, довести до его сознания важность сохранения неподвижного положения во время исследования. Неконтактность (возраст менее 9 лет) может служить показанием для проведения компьютерной томографии под общим наркозом.
  3. Для уменьшения временных и финансовых затрат на изготовление  СЛ модели следует изготавливать только необходимую для для планирования часть.