Como escoger la tecnología más adecuada: FDM, SLA y SLS

La fabricación aditiva es el término usado para describir todo el conjunto de tecnologías de fabricación basadas en el conformado mediante aporte de material. Esto quiere decir que, a diferencia de la fabricación sustractiva (que engloba los métodos tradicionales de mecanizado CNC), se basa en construir piezas aportando capa a capa la cantidad precisa de material de una forma selectiva.

Sin embargo dentro de esta categoría podemos encontrar multitud de tecnologías muy dispares, cada una con sus ventajas y sus inconvenientes, por lo que conocer sus fundamentos y sus limitaciones es algo de gran importancia para poder seleccionar la más adecuada para cada necesidad.

A pesar de que existen multitud de tecnologías y variantes, las más comunes y extendidas dentro de la industria son tres:

• La deposición de material fundido (FDM)
• La fotopolimerización selectiva de resinas (SLA)
• El sinterizado selectivo por láser (SLS)

Aunque la más extendida es sin duda la tecnología FDM. Debido principalmente a la aparición de impresoras 3D de bajo coste basadas en esta tecnología, en los últimos años tanto la tecnología SLA como SLS han ido ganando terreno. Empresas como Formlabs o Sinterit comercializan equipos, basados en SLA y SLS respectivamente, capaces de alcanzar calidades industriales a precios realmente competitivos. Esto unido a la aparición de nuevos materiales hace que actualmente pueda resultar complicado para una empresa o profesional decantarse por una tecnología u otra.

A continuación detallamos cuales son las características principales de cada una, así como sus diferencias, ventajas e inconvenientes.

Deposición de Material Fundido (FDM)

Es, con diferencia, la tecnología más popular. Se basa en extruir a través de una boquilla o "nozzle", un termoplástico por encima de su temperatura de fusión. A medida que el material extruido sale por la boquilla en forma de filamento se deposita selectivamente y capa a capa para formar la pieza.

Imagen 1: Impresión FDM. Fuente: commons.wikimedia.com

A pesar de ser la más habitual, es la más compleja en lo que respecta al diseño y preparación de archivos para impresión. Es frecuente que las limitaciones de la impresión 3D FDM condicionen el propio diseño, por lo que en general, cuándo se producen piezas mediante esta tecnología, es necesario diseñarlas o rediseñarlas para hacerlas compatibles. Esto puede ser un gran problema cuando el objetivo de la impresión 3D sea validar modelos que posteriormente se producirán mediante otros métodos productivos.

De entre todas las limitaciones, las más importantes son la necesidad de usar soportes y la imposibilidad de obtener isotropía mecánica.

Debido a que no se puede depositar el material fundido en el aire, no es posible imprimir directamente puentes o voladizos, por lo que en estos casos es necesario añadir unas estructuras de soporte. Esto supone un mayor gasto de material y de tiempo, además de que las piezas necesitarán un post-procesado para retirar estos soportes y la calidad superficial en la zona de contacto se verá afectada.

Imagen 2: Piezas impresas con soportes. Fuente: Simplify3D

Una forma de minimizar algunos de los inconvenientes derivados del uso de soportes es imprimirlos empleando un material soluble. Esto facilitará su eliminación y mejorará la calidad superficial de la zona de contacto. Para ello es necesario que la impresora disponga de un sistema de doble extrusor como el sistema IDEX de las impresoras BCN3D Sigma y BCN3D Sigmax o el doble extrusor Bondtech incorporado en las impresoras 3D Raise Pro2.

Video 1: Video sistema IDEX BCN3D. Fuente: BCN3D

Por otro lado, como explicamos en un anterior artículo, mediante FDM es imposible obtener piezas isótropas, lo cual supone un problema importante en determinadas aplicaciones mecánicas y estructurales.

Otras limitaciones importantes son la baja resolución y las altas tolerancias. Aunque empleando boquillas de pequeño diámetro es posible alcanzar resoluciones en Z próximas a las alcanzadas mediante SLA o SLS, la resolución en XY siempre será mucho menor y estará condicionada por el material empleado. Esto se debe a que la resolución viene determinada por el diámetro de la boquilla empleada y no todos los materiales son compatibles con boquillas de pequeño diámetro.

Sin embargo no todo son desventajas. La tecnología FDM tiene, con diferencia, la gama de materiales más amplia y a un menor coste, además de los mayores volúmenes de impresión y, aunque la diferencia de precio entre las distintas tecnologías se haya acortado, sigue siendo la tecnología más económica.

Imagen 3: Pirámide de los principales materiales disponibles para impresión 3D FDM. Fuente: 3dhubs.com

Además es una tecnología limpia y segura, que apenas requiere de preparación previa a la impresión. Esto hace que pueda ubicarse en cualquier entorno y que permita más inmediatez que la impresión SLA y SLS que requieren de tareas de preparación y limpieza más exhaustivas, lo que la convierte en la tecnología perfecta para aplicaciones educativas en cualquier nivel, desde el elemental hasta estudios superiores.

Se trata de una tecnología ideal para imprimir plantillas y herramientas, piezas con un volumen medio grande o para aquellas aplicaciones que requieran materiales específicos no disponibles para otras tecnologías.

Otro sector en el que la impresión 3D FDM ofrece grandes ventajas es en la producción de modelos arquitectónicos. En general este tipo de proyectos están compuestos por piezas voluminosas que no requieren de una elevada precisión. Esto, unido a la disponibilidad de materiales como Filamet, Timberfill, Smartfil EP o PLA Mukha capaces de proporcionar acabados metálicos, madera o cerámicos a las piezas sin necesidad de postprocesado.

Imagen 4: Modelo arquitectónico impreso por FDM. Fuente: Raise3D

Fotopolimerización Selectiva de Resinas (SLA)

Es la segunda tecnología de impresión 3D más común. Se basa en exponer capa a capa una cubeta de resina fotocurable de manera selectiva a luz ultravioleta. Esta exposición selectiva puede ser a través de un barrido láser (SLA), un proyector (DLP) o un led enmascarado (LED-LCD/MSLA).

Imagen 5: Diferencias entre SLA, DLP y MSLA. Fuente: theorthocosmos.com 

Al igual que la impresión 3D FDM, requiere de soportes que deben ser eliminados tras la impresión, sin embargo la impresión 3D SLA no permite a día de hoy imprimir simultáneamente con dos materiales por lo que la única forma de retirar los soportes es mecánicamente. Esto hace que en este caso también se vea afectada la superficie de la pieza en aquellas zonas donde ha habido contacto con los soportes.

Imagen 6: Soportes de una pieza impresa mediante SLA. Fuente:3Dhubs.com

Otra diferencia fundamental respecto a la impresión 3D FDM es que usa polímeros termoestables en lugar de termoplásticos. Además, los materiales para SLA suelen ser más caros que los de FDM y presentan cierta toxicidad. Esto, unido a que las piezas requieren tareas de limpieza y post-procesado hace que esta tecnología sea menos recomendable para el sector educativo.

Sin embargo, su punto fuerte es la alta resolución y el excelente acabado superficial alcanzable mediante la impresión 3D SLA. En general pueden alcanzarse resoluciones de hasta 50 um en todos los planos.

A pesar de que existen impresoras SLA con grandes volúmenes de impresión equiparables a los de impresoras 3D FDM, en general las impresoras 3D SLA suelen tener volúmenes de impresión considerablemente menores.

Es perfecta para imprimir pequeñas piezas que necesiten alta resolución y excelentes acabados superficiales. Actualmente es la tecnología de impresión 3D más popular en el sector dental y en el de la joyería. Es por esto que cuenta con el catálogo más amplio de resinas dentales y calcinables.

Imagen 7: Modelos dentales impresos mediante SLA. Fuente: Formlabs.

Sinterizado Selectivo por Láser (SLS)

Es probablemente la tecnología menos conocida, a pesar de ser una de las más antiguas y de las más habituales en entornos industriales.

Esto se debe a que hasta hace poco todos los equipos de impresión 3D SLS solían requerir de instalaciones adecuadas y el coste tanto del equipo como de la implantación solía ser elevado. Aunque en los últimos años esto ha cambiado gracias a la aparición de las impresoras SLS en formato desktop, como las impresoras Lisa y Lisa Pro, cuyos costes de adquisición en implantación se acercan a los de los sistemas FDM y SLA. Aunque esta tecnología permite producir piezas tanto en termoplásticos como en metal, como el objetivo de este artículo es entender las diferencias entre las tres tecnologías, nos centraremos únicamente en la impresión 3D SLS de termoplásticos.

La impresión 3D SLS consiste en sinterizar de manera selectiva, empleando un sistema de barrido láser, capas de material en polvo. Cada vez que se sinteriza una capa, la plataforma de construcción baja y un dispositivo especial denominado "recoater" o recubridora aplica una nueva capa de polvo.

Imagen 8: Esquema de una impresora SLS. Fuente: Sinterit.

La principal ventaja de esta tecnología es la posibilidad de imprimir sin soportes. Esto hace que los condicionantes de diseño sean mucho menores que en cualquier otra tecnología, además de simplificar en gran medida el post-procesado de las piezas.

Esto unido a la alta precisión alcanzada por el láser, superior a la obtenida mediante impresión 3D SLA o FDM, hace que sea posible imprimir complejos ensamblajes de manera directa, sin necesidad de imprimir sus componentes individualmente.

Video 2: Cambio de bicicleta producido de manera directa mediante impresión 3D SLS. Fuente: Sinterit.

Otra importante ventaja es que las piezas impresas mediante SLS son densas y poseen una alta isotropía, lo que la convierte en la tecnología ideal para la producción de modelos y prototipos funcionales. Todo esto, unido al buen acabado superficial hace que sea adecuada también para la producción de pequeñas series de productos finales.

Las impresoras 3D SLS no disponen de una gama de materiales compatibles tan amplia como la impresión 3D FDM, sin embargo la posibilidad de usar materiales técnicos como distintos tipos de nylons, o TPE y TPUs, hace que pueda cubrir la mayoría de aplicaciones.

Video 3: Pieza impresa en TPU mediante impresión 3D SLS. Fuente: Sinterit.

A pesar de todas las ventajas, el principal factor limitante de la impresión 3D SLS es el volumen de construcción. Aunque los equipos industriales poseen grandes volúmenes de construcción similares a los que se encuentran en sistemas FDM, las impresoras 3D SLS de formato "desktop" poseen volúmenes de impresión similares a los de las impresoras SLA.

Además, aunque el post-procesado de la pieza se limita a una limpieza para retirar el exceso de polvo sin sinterizar, las impresoras 3D SLS requieren de una preparación y limpieza que hacen que no tenga tanta inmediatez como la impresión FDM.

A pesar de que todas estas características han convertido a esta tecnología en el standard a nivel industrial, sus altos costes han limitado su acceso a pequeñas y medianas empresas. Con la aparición en los últimos años de impresoras 3D SLS asequibles en formato desktop, como Lisa y Lisa Pro, esto está cambiando. Aunque su coste sigue siendo ligeramente superior a modelos equivalentes en FDM y SLA, en la actualidad el coste ya no es un factor determinante a la hora de escoger una tecnología u otra.

Imagen 9: Sinterit Lisa Pro. Fuente: Sinterit.

Comparación entre FDM, SLA y SLS

Para comparar adecuadamente las tres tecnologías, debemos hacerlo a dos niveles: en cuanto a características y en cuanto a limitaciones de diseño y fabricación.

A continuación se comparan las principales características de cada tecnología:

En la siguiente tabla se muestran las limitaciones de diseño de cada tecnología:

Hoy en día hay disponibles en el mercado equipos basados en estas tres tecnologías en un rango de precios similar, como pueden ser las impresoras de los fabricantes Raise3D, Formlabs o Sinterit. Gracias a esto los únicos criterios a la hora de tomar la decisión de implantar una tecnología u otra serán criterios técnicos.

Es necesario valorar bien las necesidades y el uso que se dará a la impresora 3D para decidir que tecnología es la más adecuada y poder rentabilizar de esa forma la inversión.