Estereolitografía

La estereolitografía (SLA o SL; también conocida como aparato de estereolitografía, fabricación óptica, foto-solidificación o impresión de resina) es una forma de tecnología de impresión 3D utilizada para crear modelos, prototipos, patrones y piezas de producción en una capa por capa utilizando fotopolimerización. , un proceso por el cual la luz hace que las cadenas de moléculas se unan, formando polímeros. Esos polímeros conforman el cuerpo de un sólido tridimensional. La investigación en el área se llevó a cabo durante la década de 1970, pero el término fue acuñado por Chuck Hull en 1984 cuando solicitó una patente sobre el proceso, que se otorgó en 1986. La estereolitografía se puede usar para crear cosas como prototipos para productos en desarrollo, modelos médicos y hardware informático, así como en muchas otras aplicaciones. Si bien la estereolitografía es rápida y puede producir casi cualquier diseño, puede ser costosa.

Historia
La impresión estereolitográfica o «SLA» es una tecnología de impresión 3D temprana y ampliamente utilizada. A principios de la década de 1980, el investigador japonés Hideo Kodama inventó el enfoque moderno en capas de la estereolitografía utilizando luz ultravioleta para curar polímeros fotosensibles. En 1984, justo antes de que Chuck Hull presentara su propia patente, Alain Le Mehaute, Olivier de Witte y Jean Claude André presentaron una patente para el proceso de estereolitografía. La solicitud de patente de los inventores franceses fue abandonada por la compañía francesa General Electric (ahora Alcatel-Alsthom) y CILAS (The Laser Consortium). Le Mehaute cree que el abandono refleja un problema con la innovación en Francia.

Sin embargo, el término «estereolitografía» fue acuñado en 1984 por Chuck Hull cuando presentó su patente para el proceso. Chuck Hull patentó la estereolitografía como un método para crear objetos 3D mediante la «impresión» sucesiva de capas finas de un objeto utilizando un medio curable por luz ultravioleta, desde la capa inferior hasta la capa superior. La patente de Hull describe un haz concentrado de luz ultravioleta que se enfoca sobre la superficie de una cuba llena de un fotopolímero líquido. El haz se enfoca sobre la superficie del fotopolímero líquido, creando cada capa del objeto 3D deseado mediante reticulación (generación de enlaces intermoleculares en polímeros). Fue inventado con la intención de permitir a los ingenieros crear prototipos de sus diseños de una manera más eficaz. Después de que se concediera la patente en 1986, Hull cofundó la primera empresa de impresión 3D del mundo, 3D Systems, para comercializarla.

El éxito de la estereolitografía en la industria automotriz permitió que la impresión 3D alcanzara el estatus de la industria y la tecnología continúa encontrando usos innovadores en muchos campos de estudio. Se han realizado intentos para construir modelos matemáticos de procesos de estereolitografía y diseñar algoritmos para determinar si un objeto propuesto puede construirse utilizando impresión 3D.

Tecnología
La estereolitografía es un proceso de fabricación aditiva que funciona al enfocar un láser ultravioleta (UV) en una tina de resina de fotopolímero. Con la ayuda del software de fabricación asistida por computadora o de diseño asistido por computadora (CAM / CAD), el láser UV se utiliza para dibujar un diseño o forma preprogramado en la superficie de la cuba de fotopolímero. Los fotopolímeros son sensibles a la luz ultravioleta, por lo que la resina se solidifica fotoquímicamente y forma una sola capa del objeto 3D deseado. Luego, la plataforma de construcción baja una capa y una cuchilla recubre la parte superior del tanque con resina. Este proceso se repite para cada capa del diseño hasta que se completa el objeto 3D. Las piezas terminadas deben lavarse con un solvente para limpiar la resina húmeda de sus superficies.

También es posible imprimir objetos «de abajo hacia arriba» utilizando una cuba con un fondo transparente y enfocando el láser de polimerización UV o azul profundo hacia arriba a través de la parte inferior de la cuba. Una máquina de estereolitografía invertida comienza una impresión al bajar la plataforma de construcción para tocar la parte inferior de la tina llena de resina, y luego subir la altura de una capa. El láser UV luego escribe la capa más inferior de la parte deseada a través del fondo transparente de la tina. Luego, la tina se «balancea», flexionando y pelando el fondo de la tina alejándolo del fotopolímero endurecido; el material endurecido se desprende de la parte inferior de la tina y permanece unido a la plataforma de construcción ascendente, y fluye un nuevo fotopolímero líquido desde los bordes de la parte parcialmente construida. El láser UV escribe la segunda capa desde abajo y repite el proceso. Una ventaja de este modo de abajo hacia arriba es que el volumen de construcción puede ser mucho más grande que la propia tina, y solo se necesita suficiente fotopolímero para mantener la parte inferior de la tina de producción continuamente llena de fotopolímero. Este enfoque es típico de las impresoras SLA de escritorio, mientras que el enfoque del lado derecho es más común en los sistemas industriales.

La estereolitografía requiere el uso de estructuras de soporte que se adhieran a la plataforma del elevador para evitar la desviación debida a la gravedad, resistir la presión lateral de la lámina llena de resina o retener las secciones recién creadas durante el «balanceo de la cuba» de la impresión de abajo hacia arriba. Normalmente, los soportes se crean automáticamente durante la preparación de los modelos CAD y también se pueden hacer manualmente. En cualquier situación, los soportes deben retirarse manualmente después de la impresión.

Principio
Un plástico de fotopolímero (fotopolímero), por ejemplo, resina acrílica, epoxi o viniléster, se cura con un láser en capas finas (espesor de capa estándar en el rango de 0.05 a 0.25 mm, en micro estereolitografía también hasta capas de 1 micrón). El procedimiento se lleva a cabo en un baño lleno de los monómeros base de la resina fotosensible. Después de cada paso, la pieza de trabajo se baja unos pocos milímetros en el líquido y se devuelve a una posición que es más baja que la anterior por la cantidad de espesor de una capa. El plástico líquido sobre la pieza se pasa luego a través de una rasqueta, distribuida equitativamente. Luego, un láser, controlado por una computadora a través de espejos móviles, viaja en la nueva capa sobre las superficies que se van a curar. Después del curado, se lleva a cabo el siguiente paso, creando gradualmente un modelo tridimensional.

En la microstereolitografía, no se requieren estructuras de soporte, y en muchos casos también se elimina el postcurado. En los procesos de estereolitografía para componentes grandes, esto es diferente, ya que la resina endurecida por láser es todavía relativamente suave y también ciertos elementos de forma (por ejemplo, voladizos) deben fijarse de manera segura durante el proceso de construcción. Para este propósito, también se construyen estructuras de soporte en la producción. Después del proceso de construcción, la plataforma con la (s) parte (s) se mueve fuera del contenedor. Después de drenar la resina sin curar, el modelo se retira de la plataforma, se despoja de las estructuras de soporte, se lava con solventes y se cura completamente en un gabinete bajo luz UV.

Otro método que también utiliza la fotopolimerización para hacer objetos físicos es el Solid Ground Curing (SGC). Cada capa se cura con luz UV, por lo que una máscara de luz debe imprimirse en un fotoplotter para cada capa. Sin embargo, este método, que se utilizó particularmente en las plantas de la empresa Cubital (Israel), ha perdido en los últimos años, en gran medida.

El proceso comienza con un modelo del objeto a fabricar. Este modelo se logra a través de un programa de CAD o mediante la adquisición de un objeto digital que deseamos reproducir.
El modelo una vez dibujado debe exportarse en un formato estándar, el formato STL (para STereoLithography). Este formato fue diseñado originalmente para comunicarse con dispositivos de estereolitografía, pero ahora se usa en otras áreas. Este es un estándar de la industria de facto. Este formato describe modelos en forma de superficies triangulares contiguas.
El archivo STL se transmite al dispositivo de estereolitografía que integra un PLC o, más a menudo, un módulo de control tipo PC.
El modelo (en 3D) se divide en cortes (2D) de espesor fijo. Este grosor es elegido por el operador y determina la resolución de la restitución. Por lo tanto, este parámetro determina la precisión del objeto que se producirá.
El objeto es producido.

Caracteristicas
Los datos CAD 3D existentes se convierten al formato STL. Estos datos se envían a los proveedores de servicios de estereolitografía, que luego agregan las estructuras de soporte posiblemente necesarias.
Una vez que se ha determinado el sitio de construcción, se lleva a cabo la generación de los datos de control geométricos requeridos para la instalación, el llamado «rebanado».
Estos datos se envían al sistema de fabricación y forman la base para controlar el rayo láser en la superficie del baño.
En unas pocas horas, obtendrá un modelo real de las piezas que están virtualmente disponibles en el CAD.
La estereolitografía permite una alta precisión (típicamente 0,1 mm, mucho más baja hasta 1 micrón por capa para RMPD) con estructuras finas y grosores de pared delgada.
Dado que un modelo está construido en un líquido, las estructuras de soporte que deben eliminarse son necesarias para piezas colgantes en el caso de componentes grandes. Sin embargo, a diferencia de otros métodos de creación rápida de prototipos, la estructura de soporte consiste en el mismo material que el componente y, por lo tanto, debe eliminarse mecánicamente (ya que no se puede evitar una conexión con el componente).
En la mayoría de los casos, el modelo creado por estereolitografía debe curarse después de retirarlo de la máquina en un gabinete de luz UV.

En los últimos años, se han realizado desarrollos técnicos que combinan el modelado de múltiples chorros con principios básicos de estereolitografía. Como material de soporte sirve un material de cera, que se licua por calentamiento. El componente en sí se produce de manera análoga a la estereolitografía a partir de un fotopolímero. Ambos materiales se aplican a través de un cabezal de impresión modificado (similar a las impresoras de inyección de tinta). Además, una fuente de luz proporciona la exposición y, por lo tanto, el curado del fotopolímero. A diferencia de los sistemas de estereolitografía RP, estos sistemas también pueden utilizarse en la oficina y son significativamente más baratos con precios que comienzan en unos 50.000 euros.

Otro nuevo desarrollo técnico es la producción continua de interfaz líquida (CLIP).

En la litografía de dos fotones, un foco UV de 100 nanómetros de diámetro a 5 metros por segundo se dirige tridimensionalmente a través del volumen de la resina líquida. Por lo tanto, no se cura a partir de la superficie de la resina líquida. Para que el foco UV tenga solo una pequeña extensión en la dirección de propagación de la radiación, se requiere una poca profundidad de campo y una gran apertura. Debido a que la absorción de dos fotones tiene una dependencia cuadrática de la intensidad de la luz, el área de endurecimiento de la resina está demarcada marcadamente.

Solicitud
En comparación con los modelos fabricados por otras técnicas de fabricación generativa, como la fusión selectiva por láser, un modelo estereolitográfico es frágil, lo que limita su aplicación. Las estructuras de soporte necesarias para los recortes también limitan la geometría del componente. Por lo tanto, el proceso de estereolitografía se utiliza en el desarrollo de productos para la creación de prototipos (concepto, geometría, modelos visuales, funcionales) en ingeniería mecánica, en particular en la industria automotriz y en medicina. Se espera una tendencia creciente en los próximos años en la producción directa de productos finales utilizando equipos de estereolitografía (fabricación rápida). Los ejemplos de aplicaciones que ya desempeñan un papel en la vida diaria incluyen la producción de casos individuales para audífonos que utilizan estereolitografía y los sistemas de laboratorio en chip fabricados por microTEC.

Otros ejemplos de aplicación son modelos de fundición y modelos arquitectónicos.

Modelado medico
Los modelos estereolitográficos se han utilizado en medicina desde la década de 1990, para crear modelos 3D precisos de diversas regiones anatómicas de un paciente, basados ​​en datos de exploraciones informáticas. El modelado médico implica primero adquirir una tomografía computarizada, una resonancia magnética u otra exploración. Este dato consiste en una serie de imágenes transversales de la anatomía humana. En estas imágenes diferentes tejidos se muestran como diferentes niveles de gris. La selección de un rango de valores de gris permite aislar tejidos específicos. Luego se selecciona una región de interés y se seleccionan todos los píxeles conectados al punto objetivo dentro de ese rango de valores de gris. Esto permite seleccionar un órgano específico. Este proceso se conoce como segmentación. Los datos segmentados se pueden traducir a un formato adecuado para la estereolitografía. Si bien la estereolitografía suele ser precisa, la precisión de un modelo médico depende de muchos factores, especialmente del operador que realiza la segmentación correctamente. Hay posibles errores posibles al hacer modelos médicos con estereolitografía, pero estos pueden evitarse con la práctica y con operadores bien entrenados.

Los modelos estereolitográficos se utilizan como ayuda para el diagnóstico, la planificación preoperatoria y el diseño y fabricación de implantes. Esto podría implicar planificar y ensayar osteotomías, por ejemplo. Los cirujanos usan modelos para ayudar a planificar las cirugías, pero los protésicos y tecnólogos también usan modelos como ayuda para el diseño y fabricación de implantes a medida. Por ejemplo, los modelos médicos creados a través de la estereolitografía se pueden utilizar para ayudar en la construcción de placas de craneoplastia.

Prototipado
La estereolitografía se utiliza a menudo para prototipos de piezas. Por un precio relativamente bajo, la estereolitografía puede producir prototipos precisos, incluso de formas irregulares. Las empresas pueden usar esos prototipos para evaluar el diseño de su producto o como publicidad para el producto final.

Ventajas y desventajas

Ventajas
Una de las ventajas de la estereolitografía es su velocidad; Las piezas funcionales se pueden fabricar en un día. El tiempo que se tarda en producir una sola pieza depende de la complejidad del diseño y el tamaño. El tiempo de impresión puede durar desde horas hasta más de un día. Los prototipos y los diseños hechos con estereolitografía son lo suficientemente fuertes para ser mecanizados y también se pueden usar para hacer patrones maestros para el moldeo por inyección o varios procesos de fundición de metales.

Desventajas
Aunque la estereolitografía se puede usar para producir prácticamente cualquier diseño sintético, a menudo es costoso; Los fotopolímeros comunes pueden costar alrededor de US $ 800 por galón y las máquinas SLA pueden costar US $ 250,000. Sin embargo, desde 2012, el interés público en la impresión 3D ha inspirado el diseño de varias máquinas SLA para el consumidor que pueden costar US $ 3.500 o menos, como el Formulario 2 de Formlabs o el Nobel 1.0 de XYZPrinting.

Los diferentes tipos de estereolitografía.
Se utilizan varias técnicas para producir los prototipos rápidamente.

Cabe señalar ahora que el límite con la impresión 3D se cruza hasta el punto de que las dos tecnologías se fusionan en un conjunto muy diversificado.

Curado Ligero (ALS)

Método
El curado es el primer proceso de creación rápida de prototipos que se desarrolló en el nombre de SLA de 1980 (para Aparatos de estereolitografía). Se basa en las propiedades de ciertas resinas para polimerizar bajo el efecto de la luz y el calor.

La resina utilizada es generalmente una mezcla de monómeros de acrilato o epoxi y un fotoiniciador. El papel del fotoiniciador es, como sugiere su nombre, iniciar la polimerización del material bajo el efecto de la luz.

En este proceso, una plataforma móvil se sumerge en un tanque de resina líquida. Esta plataforma soporta el modelo que se está fabricando. La plataforma se coloca a una profundidad H por debajo del nivel de la resina. Un láser fijo y un dispositivo de control de haz sobresalen de la plataforma. El control de la dirección de la viga se realiza mediante deflectores que son espejos muy precisos (muy planos) montados en galvanómetros. El uso de dos de estos dispositivos de control hace posible dirigir el haz en cualquier punto de la plataforma.

Las rodajas que constituyen el modelo se procesan una por una: el rayo láser barre la superficie de resina líquida de acuerdo con la forma de la rodaja definida por computadora.

Bajo el efecto de la luz, el fotoiniciador forma un radical y los monómeros se unen instantáneamente entre sí formando un polímero sólido.

La plataforma luego desciende desde una altura h (La altura h es la resolución elegida para la producción del objeto) y el proceso se renueva para cada sector. Los objetos bidimensionales así producidos se superponen para producir la estructura completa.

Una vez completado, el modelo se retira del tanque y la mezcla no polimerizada se disuelve en un disolvente adecuado.

El último paso a menudo consiste en hornear el objeto para endurecerlo, dependiendo de la resina utilizada.

Limitaciones y ventajas.
Problema de los «volúmenes atrapados». El principio es superponer capas sucesivas de materia; El material presente en las zonas no solidificadas no se elimina y, por lo tanto, permanece presente en el modelo. Si es un volumen herméticamente cerrado, el material se llama «atrapado». Ejemplo: el modelado de una cáscara de huevo.
Ventaja: los avances tecnológicos permiten ahora trabajar en alta resolución y producir objetos complejos con partes muy delgadas (0,005 mm) en menos de 24 horas. Las máquinas de microimpresión láser en 3D, desarrolladas desde principios de la década, también permiten alcanzar resoluciones hasta 100 veces más altas (<0.1 μm), gracias a un proceso de estereolitografía llamado "polimerización con dos fotones". Usos Durante mucho tiempo, este método se reservó para la creación de prototipos debido a la fragilidad de los objetos, inutilizable como tal debido a su baja resistencia mecánica: se utilizan para formar moldes. A principios de la década de 2000, el trabajo dirigido por M.Chartier (SPCTS) hizo posible utilizar este método para producir piezas cerámicas mezclando polvos cerámicos (alúmina, circonia, hidroxiapatita, etc.) con una pasta hecha de resina fotosensible. La suspensión, una vez insolada, forma una red de polímeros que atrapa las partículas minerales. Después de la polimerización con láser, un tratamiento térmico (desengrasado y luego sinterizado) del objeto hace posible obtener una cerámica densa. Áreas de aplicación: Las propiedades de las cerámicas obtenidas con esta técnica son equivalentes a los procesos tradicionales (fundición, prensado ...), por lo que los objetos se pueden utilizar como tales. Modelos de fundición, prototipos para validación de formas, prótesis médicas, series pequeñas de formas muy complejas para todo tipo de industrias ... En paleontología, esta técnica hace posible, a partir de tomografías computarizadas convencionales o micro-CT, reconstruir y estudiar estructuras finas e inaccesibles (insectos en ámbar, laberinto óseo del oído interno). Esta técnica permite sobre todo ampliaciones muy grandes para el cambio de escala.