La estereolitografía ( SLA o SL ; también conocida como fotopolimerización en tina , [1] fabricación óptica , fotosolidificación o impresión con resina ) es una forma de tecnología de impresión 3D utilizada para crear modelos , prototipos , patrones y piezas de producción capa por capa. Moda que utiliza procesos fotoquímicos mediante los cuales la luz hace que los monómeros y oligómeros químicos se entrecrucen para formar polímeros . [2] Esos polímeros forman luego el cuerpo de un sólido tridimensional. Se habían realizado investigaciones en el área durante la década de 1970, pero el término fue acuñado por Chuck Hull en 1984 cuando solicitó una patente sobre el proceso, que fue concedida en 1986. [3] La estereolitografía se puede utilizar para crear prototipos de 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 resultar costosa. [ cita necesaria ]
La estereolitografía o impresión "SLA" es una de las primeras y más utilizadas tecnología de impresión 3D. A principios de la década de 1980, el investigador japonés Hideo Kodama inventó por primera vez el moderno enfoque de la estereolitografía en capas mediante el uso de luz ultravioleta para curar polímeros fotosensibles. [4] [5] 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. [6] 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 de innovación en Francia. [7] [8]
El término “estereolitografía” (del griego: estéreo-sólido y litografía ) fue acuñado en 1984 por Chuck Hull cuando presentó su patente para el proceso. [2] [9] Hull patentó la estereolitografía como método de creación de objetos 3D "imprimiendo" sucesivamente capas delgadas de un objeto utilizando un medio curable con luz ultravioleta , comenzando desde la capa inferior hasta la capa superior. La patente de Hull describía un haz concentrado de luz ultravioleta enfocado sobre la superficie de una tina llena con 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). Se inventó con la intención de permitir a los ingenieros crear prototipos de sus diseños de una manera más eficaz en términos de tiempo. [4] [10] Después de que se concedió la patente en 1986, [2] Hull cofundó la primera empresa de impresión 3D del mundo, 3D Systems , para comercializarla. [11]
El éxito de la estereolitografía en la industria automotriz permitió que la impresión 3D alcanzara el estatus de industria y la tecnología continúa encontrando usos innovadores en muchos campos de estudio. [10] [12] Se han realizado intentos para construir modelos matemáticos de procesos de estereolitografía y diseñar algoritmos para determinar si un objeto propuesto puede construirse mediante impresión 3D. [13]
La estereolitografía es un proceso de fabricación aditiva que, en su forma más común, funciona enfocando un láser ultravioleta (UV) en una tina de resina de fotopolímero . [14] Con la ayuda de software de fabricación asistida por computadora o de diseño asistido por computadora (CAM/CAD), [15] el láser UV se utiliza para dibujar un diseño o forma preprogramada en la superficie de la tina 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. [16] Luego, la plataforma de construcción baja una capa y una cuchilla recubre la parte superior del tanque con resina. [5] 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. [17]
También es posible imprimir objetos "de abajo hacia arriba" utilizando una tina con fondo transparente y enfocando el láser de polimerización UV o azul profundo hacia arriba a través del fondo de la tina. [17] Una máquina de estereolitografía invertida comienza una impresión bajando la plataforma de construcción hasta tocar el fondo de la tina llena de resina y luego subiendo la altura de una capa. Luego, el láser UV escribe la capa más inferior de la pieza deseada a través del fondo transparente de la tina. Luego se "agita" la tina, flexionando y despegando el fondo de la tina para separarlo del fotopolímero endurecido; el material endurecido se desprende del fondo de la tina y permanece adherido a la plataforma de construcción ascendente, y el nuevo fotopolímero líquido fluye desde los bordes de la parte parcialmente construida. Luego, el láser UV escribe la segunda capa desde abajo y repite el proceso. Una ventaja de este modo ascendente es que el volumen de construcción puede ser mucho mayor que la propia tina, y solo se necesita suficiente fotopolímero para mantener el fondo de la tina de construcción continuamente lleno de fotopolímero. Este enfoque es típico de las impresoras SLA de escritorio, mientras que el enfoque del lado derecho hacia arriba es más común en los sistemas industriales. [5]
La estereolitografía requiere el uso de estructuras de soporte que se unen a la plataforma del ascensor para evitar la deflexión debida a la gravedad, resistir la presión lateral de la hoja rellena de resina o retener las secciones recién creadas durante el "balanceo de la tina" de la impresión de abajo hacia arriba. Los soportes normalmente se crean automáticamente durante la preparación de modelos CAD y también se pueden crear manualmente. En cualquier situación, los soportes deben retirarse manualmente después de la impresión. [5]
Otras formas de estereolitografía construyen cada capa mediante enmascaramiento de LCD o utilizando un proyector DLP. [18]
Los materiales líquidos utilizados para la impresión SLA se denominan comúnmente "resinas" y son polímeros termoestables. Hay una amplia variedad de resinas disponibles comercialmente y también es posible utilizar resinas caseras para probar diferentes composiciones, por ejemplo. Las propiedades de los materiales varían según las configuraciones de la formulación: "los materiales pueden ser blandos o duros, estar muy rellenos de materiales secundarios como vidrio y cerámica, o estar imbuidos de propiedades mecánicas como altas temperaturas de deflexión del calor o resistencia al impacto". [19] Recientemente, [ ¿cuándo? ] algunos estudios han probado la posibilidad de ecologizar [20] o reutilizar [21] materiales para producir resinas "sostenibles". Es posible clasificar las resinas en las siguientes categorías: [22]
Stereolithographic models have been used in medicine since the 1990s,[23] for creating accurate 3D models of various anatomical regions of a patient, based on data from computer scans.[24] Medical modelling involves first acquiring a CT, MRI, or other scan.[25] This data consists of a series of cross sectional images of the human anatomy. In these images different tissues show up as different levels of grey. Selecting a range of grey values enables specific tissues to be isolated. A region of interest is then selected and all the pixels connected to the target point within that grey value range are selected. This enables a specific organ to be selected. This process is referred to as segmentation. The segmented data may then be translated into a format suitable for stereolithography.[26] While stereolithography is normally accurate, the accuracy of a medical model depends on many factors, especially the operator performing the segmentation correctly. There are potential errors possible when making medical models using stereolithography but these can be avoided with practice and well trained operators.[27]
Stereolithographic models are used as an aid to diagnosis, preoperative planning and implant design and manufacture. This might involve planning and rehearsing osteotomies, for example. Surgeons use models to help plan surgeries[28] but prosthetists and technologists also use models as an aid to the design and manufacture of custom-fitting implants. For instance, medical models created through stereolithography can be used to help in the construction of Cranioplasty plates.[29][30]
In 2019, scientists at Rice University published an article in the journal Science, presenting soft hydrogel materials for stereolithography used in biological research applications.[31]
Stereolithography is often used for prototyping parts. For a relatively low price, stereolithography can produce accurate prototypes, even of irregular shapes.[32] Businesses can use those prototypes to assess the design of their product or as publicity for the final product.[28]
Una de las ventajas de la estereolitografía es su velocidad; Las piezas funcionales se pueden fabricar en un día. [10] El tiempo que lleva 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. [10] Las piezas impresas SLA, a diferencia de las obtenidas a partir de FFF/FDM , no exhiben una anisotropía significativa y no hay un patrón de capas visible. La calidad superficial es, en general, superior. Los prototipos y diseños hechos con estereolitografía son lo suficientemente fuertes como para ser mecanizados [33] [34] y también pueden usarse para crear patrones maestros para moldeo por inyección o diversos procesos de fundición de metales . [33]
Aunque la estereolitografía se puede utilizar para producir prácticamente cualquier diseño sintético, [15] suele ser costosa, aunque el precio está bajando. Sin embargo , desde 2012 [35] , el interés público en la impresión 3D ha inspirado el diseño de varias máquinas SLA de consumo que pueden costar considerablemente menos. A partir de 2016, la sustitución de los métodos SLA y DLP por un panel LCD de alta resolución y alto contraste ha reducido los precios por debajo de los 200 dólares estadounidenses. Las capas se crean en su totalidad, ya que toda la capa se muestra en la pantalla LCD y queda expuesta. utilizando LED UV que se encuentran debajo. Se pueden alcanzar resoluciones de 0,01 mm. Otra desventaja es que los fotopolímeros son pegajosos, sucios y deben manipularse con cuidado. [36] Las piezas recién fabricadas deben lavarse, curarse y secarse. El impacto ambiental de todos estos procesos requiere más estudios para comprenderse, pero en general las tecnologías SLA no han creado ninguna forma de resina biodegradable o compostable, mientras que otros métodos de impresión 3D ofrecen algunas opciones de PLA compostable . La elección de materiales es limitada en comparación con FFF , que puede procesar prácticamente cualquier termoplástico.
Más específicamente, cuando la plataforma de impresión desciende dentro del tanque de vidrio de resina, una luz láser ultravioleta, desde debajo del tanque transparente, brilla sobre ella. (Por esta razón, a SLA a veces se le llama tecnología de impresión láser 3D). Expuesta a la luz láser, la resina cura, solidifica y se adhiere a la plataforma. A medida que se expone más resina a la luz láser, se crea el patrón y se une a la capa superior. A medida que se crean más y más capas, la plataforma de construcción lentamente, muy lentamente, se mueve hacia arriba y finalmente saca todo el objeto del tanque cuando finaliza el proceso de impresión.