La estereolitografía ( SLA o SL ; también conocida como fotopolimerización en cuba , [1] fabricación óptica , fotosolidificación o impresión de resina ) es una forma de tecnología de impresión 3D utilizada para crear modelos , prototipos , patrones y piezas de producción en forma de capa por capa utilizando procesos fotoquímicos por los cuales la luz hace que los monómeros y oligómeros químicos se entrecrucen para formar polímeros . [2] Esos polímeros luego forman el cuerpo de un sólido tridimensional. La investigación en el área se había llevado 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 fue otorgada en 1986. [3] La estereolitografía se puede utilizar para crear prototipos de productos en desarrollo, modelos médicos y hardware de computadora, así como en muchas otras aplicaciones. Si bien la estereolitografía es rápida y puede producir casi cualquier diseño, puede ser costosa. [ cita requerida ]
La estereolitografía o impresión "SLA" es una tecnología de impresión 3D temprana y ampliamente utilizada. A principios de la década de 1980, el investigador japonés Hideo Kodama inventó por primera vez el enfoque moderno de capas para la estereolitografía 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 con la innovación en Francia. [7] [8]
El término "estereolitografía" (del griego: estereo-sólido y litografía ) fue acuñado en 1984 por Chuck Hull cuando presentó su patente para el proceso. [2] [9] Hull patentó la estereolitografía como un método para crear objetos 3D mediante la "impresión" sucesiva de capas delgadas de un objeto utilizando un medio curable por 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 un tanque lleno de un fotopolímero líquido . El haz se enfoca sobre la superficie del fotopolímero líquido, creando cada capa del objeto 3D deseado por medio de 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 efectiva en términos de tiempo. [4] [10] Después de que se concediera 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 utilizando impresión 3D. [13]
La estereolitografía es un proceso de fabricación aditiva que, en su forma más común, funciona enfocando un láser ultravioleta (UV) sobre un tanque de resina de fotopolímero . [14] Con la ayuda de un 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 una forma preprogramados sobre la superficie del tanque 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 vuelve a recubrir la parte superior del tanque con resina. [5] Este proceso se repite para cada capa del diseño hasta que el objeto 3D esté completo. Las piezas completadas deben lavarse con un solvente para limpiar la resina húmeda de sus superficies. [17]
También es posible imprimir objetos "de abajo hacia arriba" utilizando un tanque con un fondo transparente y enfocando el láser de polimerización UV o azul profundo hacia arriba a través del fondo del tanque. [17] Una máquina de estereolitografía invertida comienza una impresión bajando la plataforma de construcción para tocar el fondo del tanque lleno de resina, luego moviéndose hacia arriba la altura de una capa. Luego, el láser UV escribe la capa más inferior de la pieza deseada a través del fondo transparente del tanque. Luego, el tanque se "balancea", flexionando y despegando el fondo del tanque alejándolo del fotopolímero endurecido; el material endurecido se desprende del fondo del tanque y permanece adherido a la plataforma de construcción ascendente, y el nuevo fotopolímero líquido fluye desde los bordes de la pieza parcialmente construida. Luego, 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 mayor que el propio tanque, y solo se necesita suficiente fotopolímero para mantener el fondo del tanque de construcción lleno de fotopolímero continuamente. 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 adhieren a la plataforma del elevador para evitar la deflexión debido a la gravedad, resistir la presión lateral de la cuchilla llena de resina o retener las secciones recién creadas durante el "balanceo de la cuba" de la impresión de abajo hacia arriba. Los soportes se crean normalmente de forma automática durante la preparación de los modelos CAD y también se pueden hacer manualmente. En cualquiera de las situaciones, los soportes se deben quitar manualmente después de la impresión. [5]
Otras formas de estereolitografía construyen cada capa mediante enmascaramiento LCD o utilizando un proyector DLP. [18] [19]
Los materiales líquidos utilizados para la impresión SLA se denominan comúnmente "resinas" y son polímeros termoendurecibles. Existe 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, muy rellenos con materiales secundarios como vidrio y cerámica, o imbuidos de propiedades mecánicas como alta temperatura de deflexión térmica o resistencia al impacto". [20] Recientemente, [ ¿cuándo? ] algunos estudios han probado la posibilidad de utilizar materiales ecológicos [21] o reutilizables [22] para producir resinas "sostenibles". Es posible clasificar las resinas en las siguientes categorías: [23]
Los modelos estereolitográficos se han utilizado en medicina desde la década de 1990 [24] para crear modelos 3D precisos de varias regiones anatómicas de un paciente, basándose en datos de exploraciones por computadora [25] . El modelado médico implica primero adquirir una tomografía computarizada , una resonancia magnética u otra exploración [26] . Estos datos consisten en una serie de imágenes transversales de la anatomía humana. En estas imágenes, los diferentes tejidos aparecen 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 pueden luego traducirse a un formato adecuado para la estereolitografía [27] . Si bien la estereolitografía normalmente es precisa, la precisión de un modelo médico depende de muchos factores, especialmente del operador que realiza la segmentación correctamente. Existen posibles errores al hacer modelos médicos utilizando la estereolitografía, pero estos pueden evitarse con práctica y operadores bien capacitados [28] .
Los modelos estereolitográficos se utilizan como ayuda para el diagnóstico, la planificación preoperatoria y el diseño y fabricación de implantes. Esto puede implicar, por ejemplo, la planificación y el ensayo de osteotomías . Los cirujanos utilizan modelos para ayudar a planificar cirugías [29], pero los protésicos y tecnólogos también utilizan modelos como ayuda para el diseño y la fabricación de implantes personalizados. Por ejemplo, los modelos médicos creados mediante estereolitografía se pueden utilizar para ayudar en la construcción de placas de craneoplastia . [30] [31]
En 2019, científicos de la Universidad Rice publicaron un artículo en la revista Science , presentando materiales de hidrogel blandos para estereolitografía utilizados en aplicaciones de investigación biológica. [32]
La estereolitografía se utiliza a menudo para crear prototipos de piezas. Por un precio relativamente bajo, la estereolitografía puede producir prototipos precisos, incluso de formas irregulares. [33] Las empresas pueden utilizar esos prototipos para evaluar el diseño de su producto o como publicidad para el producto final. [29]
Una de las ventajas de la estereolitografía es su velocidad; las piezas funcionales se pueden fabricar en un día. [10] El tiempo que se tarda en producir una sola pieza depende de la complejidad del diseño y del tamaño. El tiempo de impresión puede durar desde horas hasta más de un día. [10] Las piezas impresas por SLA, a diferencia de las obtenidas por FFF/FDM , no presentan una anisotropía significativa y no hay un patrón de capas visible. La calidad de la superficie es, en general, superior. Los prototipos y diseños realizados con estereolitografía son lo suficientemente resistentes como para ser mecanizados [34] [35] y también se pueden utilizar para hacer patrones maestros para moldeo por inyección o varios procesos de fundición de metales . [34]
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 [36] , 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 a menos de 200 dólares estadounidenses. Las capas se crean en su totalidad, ya que toda la capa se muestra en la pantalla LCD y se expone mediante 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. [37] Las piezas recién fabricadas deben lavarse, curarse más 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 biodegradable o compostable de resina, 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, a medida que la plataforma de impresión desciende hasta el tanque de vidrio de resina, una luz láser ultravioleta, desde debajo del tanque transparente, brilla sobre ella. (Por esta razón, a veces se denomina a la SLA la tecnología de impresión 3D láser). Expuesta a la luz láser, la resina se cura, se 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 se mueve lentamente, muy lentamente, hacia arriba, y finalmente saca todo el objeto del tanque cuando finaliza el proceso de impresión.