Drukarki SLA

Technologia SLA - Stereolitografia stanowi jedną z podstawowych, a zarazem najstarszą metodę druku 3D na świecie. Została opracowana w 1984 roku przez Charlesa Hulla, późniejszego założyciela firmy 3D Systems. Stereolitografia należy do grupy technik druku 3D, które wykorzystują proces fotopolimeryzacji. Budowany obiekt powstaje wskutek selektywnego utwardzania żywicy fotopolimerowej światłem lasera. Drukowane elementy łączą w sobie wysoką dokładność z dużą gładkością powierzchni.

Zasada działania technologii SLA odbywa się według 4 etapów:

1. Na początku platforma robocza zostaje umieszczona w zbiorniku wypełnionym ciekłym fotopolimerem (płynna żywica), w ustalonej odległości od powierzchni cieczy odpowiadającej wysokości jednej warstwy materiału.
2. W kolejnym etapie wiązka lasera, która ogniskowana jest na wcześniej ustalonej ścieżce za pomocą zestawu specjalnych luster, utwardza daną warstwę materiału. Skanowanie całego przekroju drukowanego modelu pozwala na uzyskanie jego wysokiej wytrzymałości po zakończonym procesie.
3. Po zakończeniu etapu utwardzania danej warstwy materiału platforma robocza obniża się o zadaną wartość, natomiast ostrze zgarniacza nakłada na jej powierzchnię kolejną warstwę żywicy. Każdorazowo przed utwardzeniem nowej warstwy materiału zgarniacz wyrównuje taflę nałożonej cieczy oraz usuwa występujące w niej pęcherzyki powietrza. Proces ten powtarza się aż do momentu wydrukowania całego obiektu.
4. Po zakończeniu drukowania element posiada charakterystyczną zieloną barwę. Ponadto nie jest on w pełni utwardzony, co wymaga zastosowania powtórnego naświetlania. Przeprowadzenie dodatkowej obróbki (głównie powtórnego naświetlania po zakończonym procesie wydruku) umożliwia polepszenie właściwości mechanicznych oraz termicznych wydrukowanego modelu.

Parametry drukarki

W przypadku systemów pracujących w technologii SLA większość parametrów procesu przyrostowego ustawiana jest automatycznie przez producentów urządzenia, bez możliwości ich zmiany. Do zmienialnych parametrów należą wysokość warstwy utwardzanego materiału oraz orientacja modelu, która determinuje położenie jego struktury podporowej. Typowa wysokość warstwy nakładanego materiału wynosi 25-100 µm. Zastosowanie niższych warstw pozwala na lepsze odwzorowanie zakrzywionych oraz złożonych geometrii. W większości przypadków stosowana jest wysokość warstwy materiału 100 µm.

W drukarkach 3D wykorzystujących konfigurację z dołu do góry – the bottom-up orientation laser umieszczony jest bezpośrednio pod zbiornikiem z płynną żywicą, natomiast obiekt budowany jest niejako “do góry nogami”. Zastosowanie pojemnika ze specjalnym przezroczystym dnem oraz powłoką silikonową umożliwia przepuszczenie wiązki światła lasera oraz zapobiega przywieraniu żywicy do jego dna. Przy takiej konfiguracji platforma robocza porusza się do góry. Drukarki 3D pracujące w konfiguracji oddolnej są łatwiejsze w wykonaniu oraz samej obsłudze.

Struktura podporowa

Części wykonywane w technologii SLA wymagają każdorazowego zastosowania struktur podporowych. Są one drukowane z tego samego materiału co budowany obiekt i po zakończonym procesie zostają ręcznie usuwane. Sposób orientacji części determinuje zarówno lokalizację, ilość, jak i również wielkość koniecznych struktur podporowych. Sposób orientacji części i zastosowanej struktury podporowej uzależniony jest od konfiguracji drukarki 3D. W przypadku systemów typu bottom-up orientation stosowane struktury podporowe odgrywają duże większe znaczenie. Oprócz podpierania elementów zwisających, ich głównych zadaniem jest minimalizacja przekroju poprzecznego każdej z nałożonych warstw materiału. Występujące podczas etapu złuszczania/odrywania elementu siły mogą doprowadzić do oderwania się jej od platformy roboczej i w konsekwencji zniszczenia modelu. Wartość tych sił jest proporcjonalna do powierzchni przekroju poprzecznego każdej z warstw materiału. Z tego powodu tak ważnym jest zmniejszenie wcześniej wspomnianych przekrojów. Ponadto części, w celu uzyskania właściwej struktury, drukowane są zawsze pod pewnym kątem.

Przyleganie warstw materiału

Elementy wydrukowane w technologii SLA posiadają izotropowe właściwości mechaniczne. Związane jest to z brakiem pełnego utwardzenia ciekłej żywicy. Pojedyncze przejście lasera jest niewystarczające, natomiast kolejne przejścia pomagają jedynie wstępnie utwardzonym warstwom połączyć się ze sobą we właściwy sposób. W rzeczywistości zjawisko utwardzania trwa nawet po zakończeniu procesu budowy modelu.

W celu polepszenia jakości przylegania warstw materiału, a tym samym właściwości mechanicznych drukowanych części, zostają one poddane powtórnemu naświetlaniu. Proces “dotwardzania” odbywa się w specjalnych skrzynkach utwardzających, gdzie obiekt wystawiony jest na intensywne promieniowanie UV, czasami również w podwyższonych temperaturach. Tego typu zabieg pozwala na poprawę twardości oraz odporności elementu na działanie wysokiej temperatury, czyniąc ją jednocześnie bardziej kruchą.

Badania pokazują, iż wykonane w technologii SLA na desktopowej drukarce 3D ze standardowej bezbarwnej żywicy próbki testowe, które po zakończeniu procesu wydruku zostały poddane dodatkowemu utwardzaniu wykazują duże lepsze właściwości mechaniczne. W porównaniu do próbek niepoddanych ponownemu naświetlaniu posiadają prawie 2-krtonie wyższą wytrzymałość na rozciąganie. Wzrosła również ich odporność na działanie wysokich temperatur, przy jednoczesnym zmniejszeniu wydłużenia przy zerwaniu.

Długotrwałe wystawienie części na działanie promieni UV, w tym także promieni słonecznych, ma negatywny wpływ na ich właściwości fizyczne oraz sam wygląd. Może doprowadzić m.in. do opisanego wcześniej zjawiska zwijania się elementu, jego nadmiernej kruchości oraz zmiany koloru. Z tego powodu zaleca się wcześniejsze pokrycie powierzchni modelu warstwą ochronnej i przezroczystej farby akrylowej.

Postprocesing – obróbka wykańczająca

Podstawowa obróbka postprocesingowa polega na ręcznym usunięciu struktur podporowych, co prowadzi do pozostawienia wyboistej powierzchni w miejscu styku z modelem. Do najczęściej stosowanych metod obróbki wykańczającej można zaliczyć: szlifowanie, polerowanie, malowanie natryskowe (chroniące przed nadmiernym promieniowaniem UV) oraz powlekanie powierzchni specjalnym olejem mineralnym.

Technologia SLA, z uwagi na możliwość drukowania bardzo precyzyjnych detali o rozmiarach rzędu nawet kilku mikronów, znajduje szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, medycynie oraz jubilerstwie. Najczęściej wykorzystywana jest do prototypowania bardzo precyzyjnych oraz dokładnych modeli stosowanych w formach odlewniczych.