استریولیتوگرافی: پرینت سه بعدی رزینی (SLA) به زبان ساده

استریولیتوگرافی یا پرینت سه‌بعدی SLA یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین روش‌های پرینت سه بعدی در دنیای تولید افزودنی است. این روش با استفاده از یک لیزر کم‌قدرت، رزین مایع که در یک مخزن قرار دارد (که به آن "وان" می‌گویند) را سخت می‌کند تا شکل سه‌بعدی مورد نظر ایجاد شود. اساساً، این فرآیند مایع پلاستیک حساس به نور را به پلاستیک جامد به صورت لایه به لایه تبدیل می‌کند که به این فرآیند فتوپلیمریزاسیون گفته می‌شود.

SLA یکی از تکنولوژی‌های اصلی پرینت سه‌بعدی است، در کنار پرینت سه بعدی (FDM) و پرینت سه بعدی (SLS). این تکنولوژی به دسته پلیمریزاسیون وان تعلق دارد که به عنوان پرینت سه‌بعدی رزین نیز شناخته می‌شود و شامل تکنولوژی‌های جدیدتری مانند پردازش نور دیجیتال (DLP) و پرینت سه‌بعدی رزین مبتنی بر نمایشگر کریستال مایع (LCD) است.

در این مقاله، به بررسی اصول اولیه پرینت سه‌بعدی SLA و مقایسه آن با دیگر تکنولوژی‌های محبوب خواهیم پرداخت.

تاریخچه پرینت سه بعدی SLA

اگرچه در بین علاقه‌مندان به حوزه پرینت سه‌بعدی، تکنولوژی FDM محبوب‌تر است، اما SLA در واقع قدیمی‌ترین تکنیک ساخت افزودنی و یکی از محبوب‌ترین‌ها در محیط‌های صنعتی است.

 این تکنولوژی و واژه‌ی SLA در سال 1986 توسط چاک هال، بنیان‌گذار شرکت پرینت سه‌بعدی 3D Systems، ابداع شد. او SLA را به‌عنوان روشی برای ایجاد اشیاء سه‌بعدی با پرینت لایه‌به‌لایه تعریف کرد، که منظورش خشک کردن یک ماده حساس به نور به‌صورت لایه‌به‌لایه بود.

SLA اولین ورود به میدان نمونه‌سازی سریع در دهه 1980 بود و همچنان به‌عنوان یک تکنولوژی پرکاربرد پیشرفت های زیادی کرده است. در سال 1992، شرکت 3D Systems اولین دستگاه SLA جهان را ساخت که امکان ساخت قطعات پیچیده را در کسری از زمانی که معمولاً طول می‌کشید، فراهم کرد. با وجود اینکه SLA اولین فرآیند افزودنی در بازار بود، همچنان فرآیندی است که دقیق‌ترین قطعات و صاف‌ترین سطح‌ها را تولید می‌کند.

اجزاء پرینتر سه بعدی SLA

هر پرینتر استاندارد SLA معمولاً از چهار بخش اصلی تشکیل شده است:

• مخزن: این بخش به‌عنوان محل نگهداری فتوپلیمر مایع عمل می‌کند که معمولاً یک پلاستیک شفاف و مایع به نام "رزین" است.
• پلتفرم ساخت: این پلتفرم به مخزن پایین می‌آید و می‌تواند بر اساس فرآیند پرینت، بالا و پایین حرکت کند.
• لیزر فرابنفش: این لیزر لایه‌ها را خشک می‌کند.
• رابط کاربری کامپیوتری: یک رابط قابل دسترسی روی خود پرینتر که هم پلتفرم و هم حرکت‌های لیزر را مدیریت می‌کند.

در این مرحله، لازم به ذکر است که بیشتر پرینترهای رومیزی SLA به صورت وارونه کار می‌کنند. یعنی لیزر به سمت بالا به پلتفرم ساخت اشاره می‌کند، که از پایین شروع شده و به‌صورت تدریجی بالا می‌آید. این به "پایین به بالا" معروف است و نه "بالا به پایین".

پرینتر سه بعدی SLA چگونه کار می‌کند؟

نرم‌افزار پرینت سه بعدی SLA

 همانند بسیاری از فرآیندهای ساخت افزودنی، اولین مرحله طراحی مدل سه‌بعدی از طریق نرم‌افزار CAD یا مدل‌سازی است. فایل‌های CAD ایجاد شده نمایانگر دیجیتالی شیء مورد نظر هستند.

سپس فایل‌های CAD باید به فایل‌های STL تبدیل شوند. زبان تِسِلِیشن استاندارد (STL)، یا "زبان مثلث استاندارد"، فرمتی است که برای پرینت استریولیتوگرافیک ایجاد شده است. منشأ فایل STL در مجموعه نرم‌افزاری بود که توسط گروه مشاوره آبرت برای شرکت 3D Systems در سال 1987 ساخته شد. فایل‌های STL هندسه سطح شیء سه‌بعدی را توصیف می‌کنند و دیگر ویژگی‌های رایج مدل‌های CAD، مانند رنگ و بافت، را نادیده می‌گیرند.

مرحله پیش از پرینت،‌ بارگذاری یک فایل STL در نرم‌افزار اسلایسر سه‌بعدی است که معمولاً توسط سازنده ارائه می‌شود. این نرم‌افزار سپس مجموعه‌ای از دستورات حرکتی را تولید می‌کند که توسط پرینتر سه‌بعدی قابل درک است.

چاپ

 هنگامی که فرآیند آغاز می‌شود، لیزر به یک الگو به نام "لایه" درون مخزن هدایت می‌شود. هر جایی که لیزر برخورد کند، مایع جامد می‌شود. لیزر و پلاستیک مایع دو جزء لازم برای این فرآیند فوتوپلیمر شدن هستند، با لیزر که بخش فوتونی را فراهم می‌کند. لیزر معمولاً توسط یک سیستم آینه‌ای کنترل‌شده توسط کامپیوتر به نام "گالوانومتر" یا به اختصار "گالوا" به مختصات مناسب هدایت می‌شود.

پس از اولین لایه، پلتفرم بر اساس ضخامت لایه (که معمولاً حدود 0.1 میلی‌متر است) بالا می‌آید، سپس رزین اضافی اجازه می‌یابد زیر قسمت پرینت‌شده جریان یابد. در واقعیت، بستر معمولاً بیشتر حرکت می‌کند تا راهی آسان‌تر برای جریان یافتن رزین چسبناک فراهم شود. سپس لیزر مقطع بعدی را جامد می‌کند و این فرآیند تا کامل شدن کل قطعه تکرار می‌شود. رزینی که توسط لیزر لمس نمی‌شود در مخزن باقی می‌ماند و می‌توان آن را دوباره استفاده کرد.

پس‌پردازش پرینت سه بعدی SLA

پس از اتمام کل پرینت سه‌بعدی، پلتفرم از مخزن بیرون می‌آید. در انتهای فرآیند، مدل از پلتفرم جدا می‌شود، با الکل از رزین اضافی شسته می‌شود، سپس در یک اتاق پخت UV قرار می‌گیرد. پخت پس از پرینت به اشیاء این امکان را می‌دهد که به بالاترین استحکام ممکن برسند و پایدارتر شوند. این پخت پس از پرینت اجازه می‌دهد تا فرآیند پخت لایه‌ها با کمترین نیاز به قدرت انجام شود، که سرعت کل فرآیند را افزایش می‌دهد.

فرآیندهای جایگزین پرینت سه بعدی SLA

 در چند سال اخیر، تکنولوژی‌های جدید پرینت رزین سه‌بعدی، به‌ویژه DLP و پرینت LCD به وجود آمده‌اند. برخلاف SLA، DLP از یک پروژکتور دیجیتال برای نمایش یک تصویر از هر لایه در سراسر پلتفرم استفاده می‌کند. از آنجا که پروژکتور یک دستگاه میکرو آینه دیجیتال است، هر لایه از پیکسل‌هایی با فاصله‌ای بین آنها تشکیل شده است. بنابراین، وضوح یک پرینتر DLP به اندازه و فاصله پیکسل‌ها بستگی دارد، در حالی که در SLA، اندازه نقطه لیزر مهم است.

پرینت رزین LCD سه‌بعدی شبیه به DLP است، اما به جای پروژکتور، از یک صفحه نمایش LCD به عنوان منبع نور استفاده می‌شود. این صفحه نمایش یک ماسک نوری از هر لایه را نشان می‌دهد و نیز از پیکسل‌های مربعی تشکیل شده است. این تکنولوژی به نام استریولیتوگرافی ماسک شده (mSLA) نیز شناخته می‌شود و به دلیل هزینه پایین واحدهای LCD، این پرینترهای رزینی سه‌بعدی در سال‌های اخیر فراگیر شده‌اند - با مدل‌های پرینتری که از علاقه‌مندان تا تولیدکنندگان صنعتی را خدمت می‌دهند.

مزایا و معایب پرینت سه بعدی SLA

مزایا

• SLA یکی از دقیق‌ترین تکنیک‌های پرینت سه‌بعدی در بازار است.
• نمونه‌های اولیه می‌توانند با کیفیت بسیار بالا و با ویژگی‌های دقیق ساخته شوند. شما می‌توانید دیوارهای نازک، گوشه‌های تیز و اشکال هندسی پیچیده را با سطح صاف پرینت کنید. ضخامت لایه‌ها می‌تواند تا 10 میکرومتر کاهش یابد، و اندازه ویژگی‌های حداقلی معمولاً بین 50 تا 250 میکرومتر است. اگرچه این مقادیر بیشتر به ویسکوزیته و رنگدانه ماده بستگی دارد، ویسکوزیته‌های پایین و مقادیر زیادی از رنگدانه معمولاً بهترین نتایج را ارائه می‌دهند.
• SLA یکی از تنگ‌ترین تلرانس‌های ابعادی را در بین هر تکنولوژی نمونه‌سازی سریع یا ساخت افزودنی فراهم می‌کند، معمولاً چیزی حدود +/- 0.127 میلی‌متر.
• حجم ساخت می‌تواند بسیار بزرگ باشد.

معایب

• پرینت به‌طور معمول زمان زیادی می‌برد.
• شیب‌های تند و آویزها نیاز به ساختارهای پشتیبانی در طول فرآیند ساخت دارند.
• بیشتر رزین‌های استاندارد پرینت‌هایی نسبتاً شکننده تولید می‌کنند. با این حال، رزین‌های مقاوم و مهندسی وجود دارند که برای پرینت قطعاتی که به استحکام یا ویژگی‌های پیشرفته دیگر نیاز دارند، عالی هستند.
• رزین‌ها اغلب اختصاصی هستند و بنابراین نمی‌توان آنها را به‌راحتی بین پرینترهای مختلف از برندهای مختلف تعویض کرد.

پرینت سه بعدی SLA در مقابل پرینت سه بعدی FDM

در پرینت سه بعدی (FDM)، فیلامنت از طریق یک اکسترودر داغ تغذیه شده و به صورت لایه‌به‌لایه رسوب می‌کند. مواد مورد استفاده معمولاً ترموپلاستیک‌ها هستند، اما می‌توان آنها را با عناصر دیگر، از جمله چوب، فلز و فیبر کربن مخلوط کرد تا نتایج مختلفی به‌دست آید. این یک مزیت نسبت به SLA است که دارای انتخاب مواد نسبتاً محدودی است. وقتی صحبت از استفاده خانگی می‌شود، هزینه مواد برای FDM و SLA نسبتاً مشابه است.

FDM معمولاً جزئیات همانند SLA را ندارد. تلرانس قطعه پرینت‌شده معمولاً در حد صدها میکرون است. SLA می‌تواند سوراخ‌های کوچکتر و گوشه‌های تیزتری در تقریباً تمام موارد تولید کند.

یک شیء پرینت‌شده با یک پرینتر سه‌بعدی FDM نیز نیاز به حذف پشتیبانی‌ها (در صورت وجود) و صاف‌کردن سطوح دارد، اگرچه برخی پرینترهای FDM می‌توانند پشتیبانی‌های حل‌شونده پرینت کنند - که در پرینت SLA در دسترس نیست. در SLA، پرینت‌ها در ایزوپروپیل الکل فرو می‌روند تا رزین اضافی را حذف کنند و سپس برای تقویت اضافی در معرض نور UV غیرفعال قرار می‌گیرند. با این حال، نتیجه نهایی معمولاً به اندازه محصول ساخته‌شده با FDM قوی نیست، اما این به ماده بستگی دارد.

معمولاً، اگر دقت بالا و سطح صاف اولویت دارند، SLA بهترین انتخاب شما خواهد بود. اگر هزینه و (تا حدی) دوام نقش دارند، از یک پرینتر FDM استفاده کنید.

برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله تفاوت پرینت سه بعدی رزینی با FDM مطالعه فرمایید.

پرینت سه بعدی SLA در مقابل پرینت سه بعدی SLS

سینترینگ لیزری انتخابی (SLS) رویکرد کاملاً متفاوتی دارد، اگرچه آن نیز شامل استفاده از یک لیزر برای رسم لایه است. در SLS، لیزر معمولاً قوی‌تر است. این به این دلیل است که به‌جای پختن یک ماده، پرتو یک پودر را تا نقطه ذوب شدن ذرات آن گرم می‌کند. اغلب با SLS، سینترینگ لیزری مستقیم فلز (DMLS) و ذوب لیزری انتخابی (SLM) نیز همراه هستند که به‌طور خاص برای فلزات تطبیق یافته‌اند. SLS استاندارد با پلیمرهایی مانند نایلون کار می‌کند.

در مقایسه با اشیاء ساخته‌شده با دیگر تکنولوژی‌ها، پرینت‌های SLS می‌توانند بسیار قوی و بادوام باشند، اگرچه ممکن است متخلخل باشند. از آنجا که پشتیبانی‌ها برای SLS ضروری نیستند، پرینت‌ها می‌توانند از هندسه‌های پیچیده باشند و قطعات برای کارآیی بیشتر روی هم چیده شوند. جزئیات در SLS می‌تواند خوب باشد، اما معمولاً نمی‌تواند با دقت SLA مقایسه شود. در نهایت، سطوح اشیاء پرینت‌شده با SLS معمولاً قبل از پس‌پردازش یا پوشش‌دهی بسیار خشن هستند.

به دلیل لیزرهای پرقدرت، ماشین‌های SLS دارای تکنولوژی پیشرفته‌تری هستند، از جمله محافظت ویژه در برابر اشعه UV مضر. این منجر به پرینترهای گران‌تر می‌شود، با چند گزینه دسکتاپ یا رومیزی در دسترس. عامل دیگری که استفاده از آن را در محافل خانگی محدود می‌کند، خطر کار با پودرهای ریز است. اقدامات احتیاطی بیشتری باید با این فرآیند استفاده شود تا ایمنی آن تضمین شود، اگرچه شرکت‌هایی مانند Formlabs در حال دسترس‌تر کردن این فرآیند هستند.

علاوه بر این، پودرهای SLS گران‌تر از فتوپلیمرهای مایع هستند. این عمدتاً به دلیل پیچیدگی ساخت چنین ذرات ریزی است، بنابراین این مسئله به‌طور زیادی تغییر نخواهد کرد.

در واقع، اگر استحکام مکانیکی بالا و پرینت چندین قطعه به‌صورت همزمان اولویت شماست و هزینه اهمیت کمتری دارد، از یک پرینتر SLS استفاده کنید. در غیر این صورت، SLA احتمالاً بهترین انتخاب شما خواهد بود.

نکات نهایی

اگرچه استریولیتوگرافی قدیمی‌ترین روش در میان روش‌های اصلی پرینت سه‌بعدی است، اما همچنان یک راه‌حل جذاب برای ایجاد نمونه‌های اولیه با دقت و دوام بالا باقی می‌ماند. هیچ فرآیندی نمی‌تواند با جزئیات و سطح صاف آن مطابقت داشته باشد. علاوه بر این، دامنه مواد از زمان پیدایش آن به‌طور پیوسته رشد کرده است.

بسیاری از صنایع از این فرآیند برای ساخت نمونه‌های اولیه و همچنین محصولات نهایی استفاده می‌کنند. اگرچه فرم‌های جدیدی از پلیمریزاسیون واتی، مانند پرینت سه‌بعدی رزین مبتنی بر LCD، به دلیل هزینه کمتر بیشتر در بازار علاقه‌مندان رایج شده‌اند، پرینترهای SLA همچنان مقرون‌به‌صرفه‌تر و قابل‌دسترسی‌تر می‌شوند. حرفه‌ای‌ها و کاربران DIY پیشرفته به‌طور فزاینده‌ای تمایل به سرمایه‌گذاری در تکنولوژی SLA و بهره‌مندی از مزایای آن دارند.