Стереолитография на протяжении четырех десятилетий являлась определяющей технологией 3D-печати на основе смол, но в последние годы целый ряд новых подходов с использованием световых двигателей значительно превзошел модель лазерной трассировки в ванне, запатентованную Чаком Халлом в 1984 году. Три системы — PSLA 270 от 3D Systems , серия Form 4 от Formlabs и Lumia X1 от Axtra3D — иллюстрируют, куда движется фотополимерная 3D-печать и почему старое различие между SLA и DLP больше не отражает полной картины.

Базовые показатели SLA и DLP

В классической технологии SLA УФ-лазер пошагово отслеживает поперечное сечение каждого слоя по поверхности смолы, затвердевая материал по одному пути за раз. Это обеспечивает очень высокую точность, превосходное качество поверхности и большой объем построения, но поскольку лазер должен отслеживать каждый элемент индивидуально, производительность плохо масштабируется с увеличением сложности детали или плотности построения.

Стереолитография DLP решила проблему скорости, заменив лазер проектором, который одновременно проецирует весь слой в виде пиксельного изображения. Такое одновременное экспонирование означает, что время обработки слоя в значительной степени не зависит от площади поперечного сечения, что делает DLP существенно быстрее, чем лазерная стереолитография. Компромисс заключается в разрешении и качестве поверхности: пиксельная сетка проектора DLP создает более жесткие края и более блочные поверхности при более низком разрешении, а инвертированная ориентация построения (печать вверх ногами на прозрачной мембране) создает силы отслаивания, которые могут деформировать или повредить более массивные поперечные сечения.

Системы на основе ЖК-дисплеев (часто называемые mSLA в потребительском контексте) работают по принципу, аналогичному DLP — маскирование подсветки жидкокристаллическим экраном, — но используют более дешевое оборудование за счет меньшей оптической мощности, более короткого срока службы экрана и менее равномерного распределения света.

Представляем 3D Systems PSLA 270

Ощущая давление со стороны растущей конкуренции, компания 3D Systems сделала значительный шаг в сторону от традиционной технологии SLA, представив технологию PSLA . В отличие от большинства 3D-принтеров, работающих с полимерной смолой и выступающих снизу, PSLA 270 выступает сверху, создавая детали в традиционной ориентации SLA — платформа опускается в ванну со смолой, без отслаивания от мембраны. Технология SLA с двумя HD-проекторами обеспечивает до 5 раз более быстрое время отверждения слоев по сравнению с лазерной технологией, при этом 7-ваттные проекторы обеспечивают получение первого изделия с разрешением пикселя 90 мкм. Поскольку она сохраняет геометрию открытой ванны сверху вниз, характерную для классической SLA, а не геометрию перевернутой мембраны, как в DLP/LCD, отсутствует контакт и деформация, вызванная гравитацией, — конечный результат — точность, стабильность и качество деталей независимо от геометрии, при этом требуется значительно меньше опорной конструкции, чем в других решениях.

Система решает проблему неровных краев пикселей, характерную для проекционных систем, с помощью запатентованной обработки изображений: программное обеспечение 3D Systems автоматически корректирует края пикселей, используя методы масштабирования в оттенках серого, что позволяет получать высококачественные пластиковые детали производственного класса с превосходным качеством поверхности. PSLA 270 также использует портфель материалов Figure 4 от 3D Systems, предоставляя доступ к жестким, гибким, высокотемпературным, огнестойким и биосовместимым смолам — той же библиотеке, которая используется в производственной платформе Figure 4 компании.

Вкратце, PSLA 270 — это устройство, работающее со скоростью DLP-принтера, но с классической геометрией SLA: оно отводит лазер, не используя инвертированную мембранную архитектуру, которая ограничивает большинство проекционных систем большими поперечными сечениями.

Formlabs Form 4, супергерой в маске

Серия Form 4 от Formlabs кардинально изменила правила игры . Form 4 — это не традиционный SLA-принтер или LCD-принтер, а новая категория маскированных SLA-принтеров (mSLA) с механизмом печати Low Force Display, разработанным Formlabs. Система имеет инвертированную конструкцию и печатает вверх из резервуара с мембраной внизу. Однако Formlabs существенно переработала механику отслаивания, которая делает такую ​​геометрию проблематичной при масштабировании.

В основе печатного механизма LFD лежит блок подсветки — сверхмощный источник света, использующий 60 светодиодов, встроенную систему охлаждения и коллимирующие линзы, с оптической мощностью 16 мВт/см². Отсюда свет проходит через блок обработки света, где он формируется в соответствии с напечатанным слоем с помощью ряда поляризаторов, оптических покрытий и специально разработанного жидкокристаллического дисплея. Размер пикселя 50 мкм ЖК-дисплея высокого разрешения и предварительно настроенное сглаживание обеспечивают четкую детализацию, гладкую поверхность и точные допуски.

Ключевое инженерное достижение заключается в системе отслаивания. Усилия отслаивания минимизируются благодаря новой текстуре отслаивания и модернизированному гибкому пленочному резервуару для смолы. Текстура отслаивания представляет собой запатентованную микротекстурированную оптическую пленку, которая обеспечивает приток воздуха, предотвращая всасывание смолы из резервуара в LPU. В результате Form 4 достигает скорости работы системы с маскированием, при этом существенно снижая количество сбоев печати, требования к поддержке и деформацию деталей, которые обычно сопровождают печать с использованием инвертированного ЖК-дисплея. Большинство отпечатков, при высоте печати 53 мм (80-й процентиль) и высоте слоя 100 микрон, могут быть выполнены менее чем за 2 часа.

Модель Form 4 ориентирована в первую очередь на рынки профессионального прототипирования, стоматологии и машиностроения, а не на крупноформатное промышленное производство. Модель Form 4L использует тот же механизм, но с объемом печати 353 × 196 × 350 мм, 145 светодиодами и печатает в 2–4 раза быстрее, чем ее предшественница, Form 3L.

Axtra3D Lumia X1 удваивает изображение

Технология гибридного фотосинтеза (HPS) от Axtra3D использует принципиально иной подход: вместо выбора между лазером и проектором, она задействует оба источника одновременно . В этой коаксиальной системе оба источника света работают одновременно, отверждая смолу на одной и той же длине волны и в одной и той же плоскости изображения. В процессе HPS проектор отверждает большую часть слоя, в то время как лазер одновременно отверждает контуры слоя с высокой точностью.

В основе логики лежит DLP-проекция для быстрого, но мягкого формирования пикселированных краев и лазер для точности. Генератор изображения покрывает большую часть поперечного сечения — «штриховка вспышкой» — что обеспечивает скорость DLP-печати, в то время как лазер создает контуры границ для лучшего качества поверхности и точности с разрешением 50 микрон. Два источника света имеют одинаковую длину волны и фокальную плоскость, поэтому они отверждаются совместно за один проход, а не последовательно.

Axtra3D сочетает технологию HPS со своей технологией TruLayer, которая использует множество датчиков под мембраной принтера для обеспечения быстрого отделения печатного слоя от ванны, минимизируя паузы между слоями и ускоряя процесс печати. ​​Эта комбинация предназначена для непрерывного высокопроизводительного производства деталей, требующих как скорости, так и качества поверхности — в тех случаях, когда традиционная технология DLP жертвовала бы одним ради другого. Компания была основана в 2021 году ветераном аддитивного производства Джанни Зителли (одним из соучредителей Nexa3D) и Правеном Туммалой, ранее занимавшим должность директора по технологиям в XponentialWorks. Штаб-квартира компании находится в Шарлотте, Северная Каролина, а научно-исследовательский центр — в Виченце, Италия.

Как эти три модели соотносятся друг с другом

Все три системы решают одну и ту же основную проблему — компромисс между скоростью и качеством лазерной SLA-печати, — но с разных инженерных точек зрения. PSLA 270 сохраняет открытую геометрию печати сверху вниз, характерную для классической SLA-печати, и заменяет лазер двумя проекторами, тем самым увеличивая скорость и избегая искажений, связанных с мембраной. Form 4 сохраняет инвертированную геометрию мембраны, характерную для mSLA/LCD, но перестраивает системы отслаивания и оптические системы с нуля, чтобы исключить потери надежности и качества, которые обычно возникают при мембранной печати. ​​HPS от Axtra3D полностью отвергает выбор «или/или» и использует проектор и лазер одновременно, задействуя каждый источник для достижения наилучших результатов в рамках одного слоя.

По сравнению с традиционным SLA, все три устройства работают быстрее. По сравнению с традиционным DLP, все три обеспечивают лучшее качество поверхности и четкость краев. PSLA 270 подходит для промышленного производства среднего размера, Form 4 ориентирован на профессиональное прототипирование и мелкосерийное производство, а Lumia X1 предназначен для высокопроизводительного производства сложных деталей, где ни скорость DLP, ни качество SLA сами по себе недостаточны.

Источник