광 조형 (SLA 또는 SL, 광 조형 장치, 광학 제조, 광 응고 또는 수지 인쇄라고도 함)은 광 중합을 사용하여 모델 방식, 프로토 타입, 패턴 및 생산 부품을 레이어 방식으로 만드는 데 사용되는 3D 인쇄 기술의 한 형태입니다 , 빛이 분자 사슬을 연결시켜 고분자를 형성하는 과정. 그 중합체들은 삼차원 고체의 몸을 구성합니다. 이 지역의 연구는 1970 년대에 진행되었지만 1984 년 Chuck Hull이 1986 년에 부여한이 과정에 대한 특허를 신청했을 때 만들어졌다. Stereolithography는 제품의 프로토 타입과 같은 것을 만들기 위해 사용될 수있다. 개발, 의료용 모델 및 컴퓨터 하드웨어뿐만 아니라 많은 다른 응용 프로그램에서도 사용할 수 있습니다. 광 조형 기술은 빠르며 거의 모든 디자인을 생산할 수 있지만 비용이 많이들 수 있습니다.

역사
스테레오 리소그래피 또는 “SLA”인쇄는 초기에 광범위하게 사용되는 3D 인쇄 기술입니다. 1980 년대 초 일본의 연구원 인 히데오 코다마 (Hideo Kodama)는 감광성 중합체를 경화시키기 위해 자외선을 사용하여 광 조형 기술에 대한 현대적인 계층 적 접근법을 처음으로 발명했습니다. Chuck Hull이 자신의 특허를 출원하기 직전 인 1984 년 Alain Le Mehaute, Olivier de Witte 및 Jean Claude André가 광 조형 공정에 대한 특허를 제출했습니다. 프랑스 발명가의 특허 출원은 프랑스 General Electric Company (현재 Alcatel-Alsthom)와 CILAS (The Laser Consortium)에 의해 포기되었습니다. Le Mehaute는이 포기가 프랑스의 혁신 문제를 반영한다고 믿습니다.

그러나 “광 조형 기술”이라는 용어는 척 헐 (Chuck Hull)에 의해 1984 년에 그의 특허를 출원했을 때 만들어졌다. Chuck Hull은 자외선에 의해 경화 가능한 매체를 사용하여 물체의 얇은 층을 연속적으로 “인쇄”하여 3D 물체를 만드는 방법으로 광 조형 기술을 특허했습니다. 선체의 특허는 액체 광 중합체로 채워진 통의 표면에 초점을 맞춘 집중적 인 자외선 광선을 묘사했다. 빔은 액상 감광 수지의 표면에 집중되어 가교 결합 (폴리머 내 분자간 결합 생성)에 의해 원하는 3D 물체의 각 층을 생성합니다. 엔지니어가보다 빠르고 효과적인 방식으로 프로토 타입을 제작할 수 있도록 개발되었습니다. Hull은 1986 년에 특허가 부여 된 후 세계 최초의 3D 인쇄 회사 인 3D Systems를 공동 설립하여 상용화했습니다.

자동차 산업에서의 스테레오 리소그래피의 성공은 3D 인쇄가 업계의 위상을 달성 할 수있게했으며이 기술은 많은 연구 분야에서 혁신적인 용도를 계속 찾습니다. 광 조형 공정의 수학적 모델을 구성하고 제안 된 물체가 3D 인쇄를 사용하여 제작 될지 여부를 결정하는 알고리즘을 설계하려는 시도가있어왔다.

과학 기술
광 조형 기술 (Stereolithography)은 자외선 (UV) 레이저를 포토 폴리머 수지의 통에 집중시켜 작동하는 첨가제 제조 공정입니다. 컴퓨터 지원 제조 또는 컴퓨터 지원 설계 (CAM / CAD) 소프트웨어의 도움으로 UV 레이저를 사용하여 사전 프로그래밍 된 디자인 또는 모양을 포토 폴리머 탱크 표면에 그립니다. 광 중합체는 자외선에 민감하기 때문에 수지는 광 화학적으로 응고되어 원하는 3D 물체의 단일 층을 형성합니다. 그런 다음 건축 플랫폼은 한 층을 낮추고 블레이드는 수 지로 탱크의 상단을 다시 채 웁니다. 이 과정은 3D 객체가 완성 될 때까지 디자인의 각 레이어에 대해 반복됩니다. 완성 된 부품은 습기있는 수지를 표면에서 닦아 내기 위해 솔벤트로 씻어야합니다.

투명한 바닥이있는 통을 사용하고 UV 또는 진한 파란색 중합 레이저를 통의 바닥을 통해 위쪽으로 향하게하여 물체를 “아래에서 위로”인쇄 할 수도 있습니다. 거꾸로 된 광 조형기는 수지로 채워진 통의 바닥을 만지기 위해 건축 플랫폼을 내린 다음 한 층의 높이를 위로 움직여 인쇄를 시작합니다. 그런 다음 UV 레이저는 원하는 부분의 맨 아래 레이어를 투명한 통 바닥면에 씁니다. 그런 다음 통을 “흔들어”구부려서 경화 된 포토 폴리머로부터 통의 바닥을 떼어냅니다. 경화 된 재료는 부가 물의 바닥에서 분리되어 상승하는 빌드 플랫폼에 부착 된 상태로 유지되며 새로운 액체 포토 폴리머가 부분적으로 만들어진 부품의 가장자리에서 유입됩니다. 그런 다음 UV 레이저가 맨 아래부터 두 번째 레이어를 작성하고 과정을 반복합니다. 이 상향식 모드의 장점은 빌드 볼륨이 vat 자체보다 훨씬 클 수 있으며 빌드 버트의 바닥을 계속 포토 폴리머로 가득 채우려면 충분한 포토 폴리머 만 있으면됩니다. 이 접근 방식은 데스크톱 SLA 프린터의 전형적인 방식이지만, 업 사이드 방식은 산업 시스템에서 더 일반적입니다.

스테레오 리소그래피는 중력에 의한 휨을 방지하거나, 수지로 채워진 블레이드의 측 방향 압력에 저항하거나, 상향식 인쇄의 “통 흔들림 (vat rocking)”동안 새롭게 생성 된 섹션을 유지하기 위해 엘리베이터 플랫폼에 부착되는지지 구조물의 사용을 필요로합니다. 지원은 일반적으로 CAD 모델을 준비하는 동안 자동으로 생성되며 수동으로 수행 할 수도 있습니다. 두 경우 모두 인쇄 후에 지원을 수동으로 제거해야합니다.

원리
아크릴, 에폭시 또는 비닐 에스테르 수지와 같은 광 경화 (광 중합체) 플라스틱은 레이저로 얇은 층 (0.05 ~ 0.25mm 범위의 표준 층 두께, 마이크로 광 조형 기술에서 최대 1 마이크론 층까지)으로 경화됩니다. 상기 과정은 감광성 수지의 기본 단량체로 채워진 조에서 수행된다. 각 단계 후에, 작업 물은 수 밀리미터의 액체로 내려지고 층 두께의 양만큼 이전 위치보다 낮은 위치로 되돌아 간다. 부품 위에있는 액체 플라스틱은 균등하게 분배 된 스퀴지를 통과합니다. 그런 다음 움직이는 거울을 통해 컴퓨터에 의해 제어되는 레이저가 치유 될 표면 위로 새 레이어를 이동합니다. 경화 후, 다음 단계가 일어나서 서서히 입체 모델을 만듭니다.

마이크로 광 조형 기술에서는지지 구조물이 필요하지 않으며 많은 경우 후 경화 (postcuring)가 제거됩니다. 대형 부품의 광 조형 공정에서는 레이저 경화 수지가 상대적으로 부드러 우며 특정 형태의 부품 (예 : 돌출부)이 시공 공정 중에 고정되어야하기 때문에 이것은 다릅니다. 이를 위해 지원 구조가 제작 과정에 구축됩니다. 시공 후, 부품이있는 플랫폼이 컨테이너에서 빠져 나옵니다. 미 경화 된 수지를 배수시킨 후, 모델을 플랫폼으로부터 제거하고,지지 구조체를 제거하고, 용매로 세척하고, 자외선 하에서 캐비닛에서 완전히 경화시킨다.

물리적 인 물체를 만들기 위해 광중합을 이용하는 또 다른 방법은 Solid Ground Curing (SGC)입니다. 각 레이어는 자외선에 의해 경화되므로, 가벼운 마스크는 각 레이어에 대한 포토 플로터에 인쇄해야합니다. 그러나 최근에 Cubital (이스라엘) 공장에서 사용 된이 방법은 최근 몇 년 동안 중요성이 크게 감소했습니다.

이 과정은 제조 될 물체의 모델로 시작됩니다. 이 모델은 CAD 프로그램이나 우리가 재현하고자하는 기존의 객체를 디지털로 획득하여 구현됩니다.
한 번 그려진 모델은 표준 형식 인 STL 형식 (STereoLithography 용)으로 내 보내야합니다. 이 형식은 원래 광 조형 장치와 통신하도록 설계되었지만 이제는 다른 영역에서 사용됩니다. 이것은 사실상 업계 표준입니다. 이 형식은 연속 삼각형 표면의 형태로 모델을 설명합니다.
STL 파일은 PLC 또는 더 자주 PC 유형 제어 모듈을 통합하는 광 조형 장치로 전송됩니다.
모델 (3D)은 고정 된 두께의 조각 (2D)으로 나뉩니다. 이 두께는 작업자가 선택하고 반발의 해상도를 결정합니다. 따라서이 매개 변수는 생성 될 객체의 정확도를 결정합니다.
객체가 생성됩니다.

풍모
기존의 3D CAD 데이터는 STL 형식으로 변환됩니다. 이러한 데이터는 광 조형 서비스 제공 업체로 보내지고 그 다음 필요한 지원 구조가 추가됩니다.
건설 현장이 결정된 후, 설치에 필요한 형상 제어 데이터의 생성, 소위 “슬라이싱 (slicing)”이 발생합니다.
이러한 데이터는 제조 시스템으로 보내 져서 욕조 표면에 레이저 빔을 제어하기위한 기반을 형성합니다.
몇 시간 내에 CAD에서 실제로 사용할 수있는 부품의 실제 모델을 얻을 수 있습니다.
스테레오 리소그래피 (Stereolithography)는 정밀한 구조와 얇은 벽 두께로 높은 정밀도 (일반적으로 0.1mm, RMPD의 경우 1 마이크론 이하로 훨씬 낮아짐)를 허용합니다.
모델은 액체로 만들어지기 때문에 대형 구성 요소의 경우 돌출 부분에 제거해야하는지지 구조가 필요합니다. 그러나 다른 신속한 프로토 타이핑 방법과는 달리지지 구조는 구성 요소와 동일한 재료로 구성되므로 기계적으로 제거해야합니다 (구성 요소에 대한 연결을 피할 수 없으므로).
대부분의 경우, 광 조형으로 만든 모델은 자외선 캐비닛에서 기계를 제거한 후에 치료해야합니다.

최근에는 멀티 제트 모델링과 광 조형 기술의 기본 원리를 결합한 기술 개발이 이루어졌습니다. 지지체 재료는 가열에 의해 액화되는 왁스 재료로 작용한다. 구성 요소 자체는 광 중합체로부터 광 조형 기술과 유사하게 생산됩니다. 두 재료 모두 수정 된 프린트 헤드를 통해 적용됩니다 (잉크젯 프린터와 유사). 또한, 광원은 광 중합체의 노광 및 경화를 제공한다. RP 광 조형 시스템과는 달리이 시스템은 사무실에서도 사용할 수 있으며 약 5 만 유로부터 가격이 상당히 저렴합니다.

또 다른 새로운 기술 개발은 CLIP (Continuous Liquid Interface Production)입니다.

2 광자 리소그래피에서, 초당 5 미터의 직경 100 나노 미터 UV 초점은 액체 수지의 체적을 통해 입체적으로 지향된다. 따라서 액체 수지의 표면에서부터 경화되지 않습니다. 자외선 초점이 방사선의 전파 방향으로 작은 정도를 가지기 때문에, 얕은 피사계 심도 및 큰 구경이 필요합니다. 2 광자 흡수는 빛의 강도에 2 차적으로 의존하기 때문에 수지의 경화 영역이 급격히 구분됩니다.

신청
선택적 레이저 용융과 같은 다른 생성 기술로 제조 된 모델에 비해 광 조형 모델은 약하여 취성이 제한적입니다. 또한 언더컷에 필요한지지 구조는 구성 요소의 형상을 제한합니다. 따라서 광 조형 공정은 기계 공학, 특히 자동차 산업 및 의학에서 프로토 타입 (개념, 기하학, 시각적 기능 모델)을 개발할 때 제품 개발에 사용됩니다. 향후 몇 년 동안 광 조형 장비 (Rapid manufacturing)를 사용한 최종 제품의 직접 생산에 대한 증가 추세가 예상됩니다. 일상 생활에서 이미 중요한 역할을하는 응용 사례에는 광 조형 기술을 사용하는 보청기의 개별 사례 제작과 microTEC에서 제조 한 랩 온칩 시스템이 있습니다.

더 많은 애플리케이션 예제는 캐스팅 모델과 아키텍처 모델입니다.

의료 모델링
스테레오 리소그래피 모델은 컴퓨터 스캔 데이터를 기반으로 환자의 다양한 해부학 적 영역에 대한 정확한 3D 모델을 만들기 위해 1990 년대부터 의학에서 사용되었습니다. 의료 모델링은 CT, MRI 또는 ​​다른 스캔을 먼저 획득하는 것을 포함합니다. 이 데이터는 인체 해부학 적 일련의 단면 영상으로 구성됩니다. 이러한 이미지에서 서로 다른 조직은 서로 다른 수준의 회색으로 나타납니다. 회색 값의 범위를 선택하면 특정 조직을 격리 할 수 ​​있습니다. 그런 다음 관심 영역이 선택되고 해당 회색 값 범위 내에서 대상 점에 연결된 모든 픽셀이 선택됩니다. 이를 통해 특정 장기를 선택할 수 있습니다. 이 프로세스를 세그먼트 화 (segmentation)라고합니다. 분할 된 데이터는 광 조형 기술에 적합한 포맷으로 변환 될 수있다. 광 조형 기술은 일반적으로 정확하지만, 의료 모델의 정확성은 많은 요인, 특히 정확하게 세그먼트 화를 수행하는 작업자에 달려 있습니다. 광 조형 기술을 사용하여 의료용 모델을 만들 때 가능한 잠재적 인 오류가 있지만 연습과 잘 훈련 된 작업자는이를 피할 수 있습니다.

스테레오 리소그래피 모델은 진단, 수술 전 계획 및 임플란트 설계 및 제조에 도움이됩니다. 예를 들어, 절골술을 계획하고 연습하는 것이 포함될 수 있습니다. 외과의 사는 외과 수술 계획을 돕기 위해 모델을 사용하지만 보철 및 기술자도 맞춤형 보형물의 설계 및 제조를 보조하기 위해 모델을 사용합니다. 예를 들어, stereolithography를 통해 만들어진 의료 모델은 Cranioplasty plate의 제작을 돕는 데 사용될 수 있습니다.

프로토 타이핑
스테레오 리소그래피는 종종 프로토 타이핑 부품에 사용됩니다. 상대적으로 저렴한 가격으로 스테레오 리소그래피는 불규칙한 형태의 정확한 프로토 타입을 생산할 수 있습니다. 기업은 해당 프로토 타입을 사용하여 제품의 디자인을 평가하거나 최종 제품의 홍보 기회를 얻을 수 있습니다.

장점과 단점

장점
광 조형 기술의 장점 중 하나는 속도입니다. 기능성 부품은 하루 안에 제조 될 수 있습니다. 단일 부품을 생산하는 데 걸리는 시간은 설계의 복잡성과 크기에 따라 다릅니다. 인쇄 시간은 몇 시간에서 1 시간 이상까지 지속될 수 있습니다. 광 조형 기술로 제작 된 프로토 타입 및 디자인은 가공하기에 충분히 강하며 사출 성형 또는 다양한 금속 주조 공정의 마스터 패턴을 만드는 데에도 사용할 수 있습니다.

단점
광 조형 기술은 사실상 모든 합성 설계를 생산하는 데 사용할 수 있지만 종종 비용이 많이 든다. 일반적인 광 중합체는 갤런 당 약 800 달러이고 SLA 기계는 250,000 달러가 든다. 그러나 2012 년 이래로 3D 인쇄에 대한 대중의 관심은 Formlabs의 Form 2 또는 XYZPrinting의 Nobel 1.0과 같이 3,500 달러 이하의 비용이 소요될 수있는 여러 소비자 SLA 시스템의 설계에 영감을주었습니다.

다양한 종류의 광 조형
프로토 타입을 신속하게 제작하기 위해 여러 기술이 사용됩니다.

3D 인쇄 경계선은 두 기술이 매우 다양한 집합으로 합쳐지는 지점에 이르렀습니다.

광 경화 (ALS)

방법
경화는 1980 SLA 이름 (Stereolithography Apparatus 용)에서 개발 된 최초의 신속 프로토 타이핑 프로세스입니다. 그것은 빛과 열의 영향으로 중합하는 특정 수지의 성질을 기본으로합니다.

사용 된 수지는 일반적으로 아크릴 레이트 또는 에폭시 단량체와 광개시제의 혼합물이다. 광개시제의 역할은 그 이름에서 알 수 있듯이 빛의 영향으로 물질의 중합을 개시하는 것입니다.

이 과정에서 모바일 플랫폼은 액체 수지 탱크에 잠겨 있습니다. 이 플랫폼은 제조되는 모델을 지원합니다. 플랫폼은 수지 레벨 아래의 깊이 H에 위치합니다. 고정 된 레이저 및 빔 제어 장치가 플랫폼에 오버행합니다. 빔 방향의 제어는 갈바 노 미터에 장착 된 매우 정밀한 (매우 평평한) 거울 인 디플렉터를 사용하여 수행됩니다. 이러한 제어 장치 중 2 개를 사용하면 플랫폼의 임의 지점에서 빔을 지향 할 수 있습니다.

모델을 구성하는 슬라이스는 하나씩 처리됩니다. 레이저 빔은 컴퓨터로 정의 된 슬라이스의 모양에 따라 액상 수지 표면을 스윕합니다.

빛의 효과 하에서, 광개시제는 라디칼을 형성하고 단량체는 서로 가교 결합되어 고체 중합체를 형성한다.

그런 다음 플랫폼은 높이 h (높이 h는 객체 생성을 위해 선택된 해상도)에서 강하되며 각 슬라이스에 대해 프로세스가 갱신됩니다. 이렇게 생성 된 2 차원 물체는 완전한 구조를 만들기 위해 중첩됩니다.

일단 완료되면, 모델을 탱크로부터 제거하고 중합되지 않은 혼합물을 적합한 용매에 용해시킨다.

마지막 단계는 종종 사용 된 수지에 따라 경화시키기 위해 물체를 베이킹하는 것으로 구성됩니다.

제한 사항 및 장점
“갇힌 볼륨”문제. 원칙은 물질의 연속적인 층을 중첩시키는 것입니다. 응고되지 않은 구역에 존재하는 물질은 제거되지 않으므로 모델에 남아있게됩니다. 그것이 밀폐 된 볼륨이라면 그 물질을 “갇힌 (trapped)”이라고합니다. 예 : 달걀 껍질의 모델링.
장점 : 기술 발전으로 이제는 고해상도로 작업하고 24 시간 이내에 매우 얇은 부품 (0.005mm)으로 복잡한 물체를 생산할 수 있습니다. 10 년 초부터 개발 된 3D 레이저 마이크로 인쇄 기계는 “2 광자를 이용한 중합”이라 불리는 광 조형 공정 덕분에 최대 100 배 높은 분해능 (<0.1 μm)을 구현할 수 있습니다. 용도 오랫동안이 방법은 물체의 취약성으로 인해 프로토 타입 제작을 위해 예약되었으며, 기계적 강도가 낮기 때문에 사용할 수 없습니다. 즉, 금형을 만드는 데 사용됩니다. 2000 년 초 M.Chartier (SPCTS)가 주도한 연구는 세라믹 분말 (알루미나, 지르코니아, 하이드 록시 아파타이트 등)에 수지 감광체로 만든 페이스트를 혼합하여 세라믹 부품을 생산하는 방법을 가능하게했습니다. 일단 분리 된 현탁액은 광물 입자를 포획하는 중합체 네트워크를 형성한다. 레이저로 중합 한 후, 대상물을 열처리 (탈 바인더 및 소결)함으로써 치밀한 세라믹을 얻을 수있다. 응용 분야 : 이 기술로 얻은 세라믹의 특성은 전통적인 프로세스 (캐스팅, 프레싱 ...)와 동일하므로 개체를 그대로 사용할 수 있습니다. 주조 모델, 형태 검증을위한 프로토 타입, 의료용 보철, 모든 유형의 산업을위한 매우 복잡한 형태의 소형 시리즈 ... 고생물학에서이 기술은 전통적인 CT 또는 마이크로 CT 스캔에서 정밀하고 접근하기 어려운 구조 (호박색의 곤충, 내이의 뼈의 미로)를 재구성하고 연구하는 것을 가능하게합니다. 이 기술은 특히 규모의 변화에 ​​대해 매우 큰 확대를 허용합니다.