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Estereolitografía

Representación esquemática de la estereolitografía: un dispositivo emisor de luz a) Un láser o DLP ilumina selectivamente el fondo transparente c) de un tanque b) lleno de una r...

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Representación esquemática de la estereolitografía: un dispositivo emisor de luz a) Un láser o DLP ilumina selectivamente el fondo transparente c) de un tanque b) lleno de una resina fotopolimerizable líquida. La resina solidificada d) es arrastrada progresivamente hacia arriba por una plataforma elevadora e)
Una pieza producida por SLA
Modelo impreso mediante estereolitografía (SLA) de una placa de circuito impreso con diversos componentes para simular el producto final.

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 que se utiliza para crear modelos , prototipos , patrones y piezas de producción capa por capa mediante procesos fotoquímicos en los que la luz provoca que los monómeros y oligómeros químicos se entrecrucen para formar polímeros . [ 2 ] Estos polímeros luego forman el cuerpo de un sólido tridimensional. La investigación en esta 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 para 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 ser costosa.

Historia

La estereolitografía 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 de capas para la estereolitografía utilizando 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 empresa 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: stereo-solid y lithography ) 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 en la superficie de una cubeta llena de un fotopolímero líquido . El haz se enfoca en 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 eficiente en cuanto al 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 un estatus industrial, y la tecnología continúa encontrando usos innovadores en muchos campos de estudio. [ 10 ] [ 12 ] Se han realizado intentos para construir modelos matemáticos de los procesos de estereolitografía y diseñar algoritmos para determinar si un objeto propuesto puede construirse mediante impresión 3D. [ 13 ]

Tecnología

La estereolitografía es un proceso de fabricación aditiva que, en su forma más común, funciona enfocando un láser ultravioleta (UV) sobre una cubeta de resina fotopolimérica . [ 14 ] Con la ayuda de software de fabricación asistida por computadora o diseño asistido por computadora (CAM/CAD), [ 15 ] el láser UV se utiliza para dibujar un diseño o forma preprogramada sobre la superficie de la cubeta 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 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 cubeta con fondo transparente y enfocando el láser de polimerización UV o azul profundo hacia arriba a través del fondo de la cubeta. [ 17 ] Una máquina de estereolitografía invertida comienza una impresión bajando la plataforma de construcción hasta tocar el fondo de la cubeta llena de resina, luego moviéndola hacia arriba la altura de una capa. El láser UV escribe entonces la capa más baja de la pieza deseada a través del fondo transparente de la cubeta. Luego, la cubeta se "balancea", flexionando y despegando el fondo de la cubeta del fotopolímero endurecido; el material endurecido se desprende del fondo de la cubeta y permanece adherido a la plataforma de construcción ascendente, y nuevo fotopolímero líquido fluye desde los bordes de la pieza parcialmente construida. El láser UV escribe entonces 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 la cubeta misma, y ​​solo se necesita la cantidad de fotopolímero suficiente para mantener el fondo de la cubeta de construcción continuamente lleno de fotopolímero. Este enfoque es típico de las impresoras SLA de escritorio, mientras que el enfoque de colocar la pieza en posición vertical es más común en los sistemas industriales. [ 5 ]

La estereolitografía requiere el uso de estructuras de soporte que se fijan a la plataforma elevadora para evitar la deflexión debida a la gravedad, resistir la presión lateral de la cuchilla llena de resina o retener las secciones recién creadas durante el movimiento oscilante de la cubeta en la impresión ascendente. Los soportes se crean normalmente de forma automática durante la preparación de los modelos CAD y también pueden crearse manualmente. En ambos casos, los soportes deben retirarse manualmente después de la impresión. [ 5 ]

Otras formas de estereolitografía construyen cada capa mediante enmascaramiento LCD o utilizando un proyector DLP. [ 18 ] [ 19 ]

Tres métodos únicos de modulación espacial de la luz, que controlan las posiciones de los patrones de luz en el espacio 3D a lo largo del tiempo.

Materiales

Los materiales líquidos utilizados para la impresión SLA se conocen comúnmente como "resinas" y son polímeros termoestables. Existe una amplia variedad de resinas disponibles comercialmente, y también es posible utilizar resinas caseras. Las propiedades del material varían según las configuraciones de formulación: "los materiales pueden ser blandos o duros, estar cargados en gran medida con materiales secundarios como vidrio y cerámica, o estar dotados de propiedades mecánicas como una alta temperatura de deflexión térmica o resistencia al impacto". [ 20 ] Recientemente, algunos estudios han probado la posibilidad de hacer ecológicos [ 21 ] o reutilizables [ 22 ] los materiales para producir resinas "sostenibles". Es posible clasificar las resinas en las siguientes categorías: [ 23 ]

  • Resinas estándar para prototipado general.
  • Resinas de ingeniería, para propiedades mecánicas y térmicas específicas.
  • Resinas dentales y médicas para certificaciones de biocompatibilidad.
  • Resinas moldeables, para un contenido de cenizas cero después de la calcinación.
  • Resinas de biomateriales, formuladas como soluciones acuosas de polímeros sintéticos como el polietilenglicol o polímeros biológicos como la gelatina , el dextrano o el ácido hialurónico .

Usos

Modelado médico

Modelo estereolitográfico de un cráneo

Los modelos estereolitográficos se han utilizado en medicina desde la década de 1990, [ 24 ] para crear modelos 3D precisos de diversas regiones anatómicas de un paciente, basados ​​en datos de escaneos computarizados. [ 25 ] El modelado médico implica primero la adquisición de una TC , RM u otro escaneo. [ 26 ] Estos datos consisten en una serie de imágenes transversales de la anatomía humana. En estas imágenes, los diferentes tejidos se muestran como distintos 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 llama segmentación. Los datos segmentados pueden luego convertirse a un formato adecuado para la estereolitografía. [ 27 ] Si bien la estereolitografía suele ser precisa, la precisión de un modelo médico depende de muchos factores, especialmente de que el operador realice la segmentación correctamente. Existen posibles errores al crear modelos médicos mediante estereolitografía, pero estos pueden evitarse con la 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 incluir, por ejemplo, la planificación y el ensayo de osteotomías . Los cirujanos utilizan modelos para planificar cirugías, [ 29 ] y los protésicos y tecnólogos también los utilizan como ayuda para el diseño y la fabricación de implantes a medida. Por ejemplo, los modelos médicos creados mediante estereolitografía pueden utilizarse 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 ]

Prototipado

La estereolitografía se utiliza a menudo para la creación de 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 ]

Ventajas y desventajas

Ventajas

Una de las ventajas de la estereolitografía es su velocidad; las piezas funcionales se pueden fabricar en un día. [ 10 ] El tiempo necesario para producir una sola pieza depende de la complejidad del diseño y del tamaño. El tiempo de impresión puede variar desde horas hasta más de un día. [ 10 ] Una ventaja única de los sistemas SLA basados ​​en LCD es que el detalle o material adicional en una capa determinada no aumenta significativamente el tiempo de impresión, lo que permite un gran ahorro de tiempo en múltiples piezas si hay espacio para combinarlas en una sola impresión.

Las piezas impresas mediante SLA, a diferencia de las obtenidas mediante FFF/FDM , no presentan una anisotropía significativa (falta de uniformidad estructural) y muestran un patrón de capas visible mínimo. La calidad de la superficie es, en general, superior. Los prototipos y diseños fabricados con estereolitografía son lo suficientemente resistentes como para ser mecanizados [ 34 ] [ 35 ] y también pueden utilizarse para crear patrones maestros para moldeo por inyección o diversos procesos de fundición de metales . [ 34 ]

Desventajas

Aunque la estereolitografía puede utilizarse para producir prácticamente cualquier diseño sintético, [ 15 ] el coste ha sido históricamente una desventaja en comparación con FFF, aunque el precio está bajando. Desde 2012, [ 36 ] el interés público en la impresión 3D ha inspirado el diseño de varias máquinas SLA de consumo que se acercan en precio a otras tecnologías.

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. Se pueden alcanzar resoluciones de 0,01 mm. [ 37 ]

Las impresiones SLA requieren pasos de posprocesamiento manual (lavado, secado, curado y posiblemente eliminación del material de soporte) que no son necesarios con otros métodos. Otra desventaja es que los fotopolímeros son pegajosos y difíciles de manejar, y deben manipularse con cuidado. [ 38 ]

El impacto ambiental de estos procesos requiere un estudio más profundo para su comprensión, pero en general, las tecnologías SLA no han creado resinas biodegradables ni compostables, mientras que otros métodos de impresión 3D ofrecen algunas opciones de PLA compostable. Además, los COV liberados por las resinas líquidas representan un riesgo para la salud y un irritante olfativo conocido. La variedad de materiales es limitada en comparación con FFF , que puede procesar prácticamente cualquier termoplástico.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Norma ISO/ASTM 52900. Fabricación aditiva. Principios generales. Fundamentos y vocabulario .
  2. 1 2 3 Patente de EE. UU. 4,575,330 (“Aparato para la producción de objetos tridimensionales mediante estereolitografía”)
  3. ↑ "Patente estadounidense para aparato para la producción de objetos tridimensionales mediante estereolitografía (Patente n.° 4,575,330 emitida el 11 de marzo de 1986) - Búsqueda de patentes de Justia" . patents.justia.com . Consultado el 24 de abril de 2019 .
  4. 1 2 Gibson, Ian y Jorge Bártolo, Paulo. “Historia de la estereolitografía”. Estereolitografía: materiales, procesos y aplicaciones. (2011): 41-43. Impreso. 7 de octubre de 2015.
  5. 1 2 3 4 "La guía definitiva para la impresión 3D por estereolitografía (SLA)" . Formlabs . Formlabs, Inc. Recuperado el 26 de diciembre de 2017 .
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  7. ↑ Moussion, Alexandre (2014). "Entrevista a Alain Le Méhauté, el padre de la impresión 3D" . Primante 3D .
  8. ↑ Mendoza, Hannah Rose (15 de mayo de 2015). "Alain Le Méhauté, el hombre que presentó la patente para la impresión 3D SLA antes que Chuck Hull" . 3dprint.com . 3DR Holdings, LLC.
  9. ↑ "Estereolitografía / Impresión 3D / Fabricación aditiva" . Fotopolímeros . Savla Associates. Archivado del original el 14 de febrero de 2008. Consultado el 10 de agosto de 2017 .
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  17. 1 2 Ngo, Dong. "Reseña de la impresora 3D Formlabs Form 2: Una excelente impresora 3D a un precio elevado" . CNET . Consultado el 3 de agosto de 2016. Más específicamente, a medida que la plataforma de impresión desciende en el tanque de vidrio de resina, una luz láser ultravioleta, desde debajo del tanque transparente, la ilumina. (Por esta razón, a veces se denomina a la tecnología SLA como tecnología de impresión 3D láser). Expuesta a la luz láser, la resina se cura, solidifica y se adhiere a la plataforma. A medida que más resina se expone 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, hasta que finalmente saca el objeto completo del tanque cuando termina el proceso de impresión.
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Fuentes

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  • Animación de prototipado rápido y estereolitografía : esta animación muestra la estereolitografía y el funcionamiento de una máquina SL.
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