Impresoras 3D de Resina: SLA, DLP y LED-LCD

La impresión 3D de resinas fotocurables ha ido ganando peso en los últimos años hasta convertirse en la segunda tecnología de impresión 3D más popular después de la FFF, tanto en entornos profesionales como maker. Este auge ha sido consecuencia de dos factores importantes. Por un lado, el abaratamiento de las impresoras 3D de resina debido a la aparición de nuevas tecnologías ha situado a las impresoras de resina en el mismo segmento de precios que las de FFF. Por otro, la aparición de nuevos materiales como las resinas dentales, las flexibles o las de ingeniería permiten realizar piezas en resina que antes solo eran viables mediante FDM o SLS.

El principal punto fuerte de la impresión 3D de resina, y que ha captado la atención de algunos sectores profesionales como los de la odontología o la joyería, es la alta resolución que es capaz de alcanzar, comprendida entre los 50 µm y los 150 µm en XY y entre 30 µm y 200 µm en Z, por debajo de resolución mínima de una impresora 3D FFF. Como consecuencia, las piezas impresas con resina poseen una alta calidad superficial y un elevado nivel de detalle, lo que les confiere la calidad estética más elevada de todas las tecnologías de fabricación aditiva.

Fundamento de la impresión 3D de resina

La impresión 3D de resina se basa en un principio completamente distinto al empleado en la mayoría de tecnologías de impresión 3D como la FFF o la SLS. Mientras que en éstas se parte de un polímero termoplástico que se calienta hasta la temperatura de fusión para conformar la pieza, la impresión de resinas se basa en polimerizar una mezcla reactiva de monómeros y oligómeros mediante la aplicación selectiva de luz. Esto implica que, en lugar de usar plástico como materia prima, en impresión de resina se usan los componentes básicos que constituyen el plástico y éste se forma mediante reacción química durante el proceso de impresión.

Las resinas para impresión 3D están formadas principalmente por tres componentes:

Monómeros y oligómeros: Se trata de pequeñas moléculas que al reaccionar entre sí se unen formando largas cadenas poliméricas, las cuales son el componente fundamental del plástico. La longitud de estas cadenas determinará en gran medida sus propiedades

Agente entrecruzante: Consiste en moléculas de mayor o menor tamaño con dos o más grupos reactivos capaces de unirse en diversos puntos a las cadenas poliméricas. Su función es mantener las cadenas unidas firmemente entre sí. En general los plásticos formados en presencia de agentes entrecruzantes dan lugar a lo que se conoce como plásticos o resinas termoestables.

Fotoiniciador: Es el responsable de promover la reacción entre los monómeros o de éstos con el agente entrecruzante. Se trata de moléculas orgánicas, generalmente tintes o fluoróforos, capaces de producir cationes o radicales libres en presencia de luz a una longitud de onda determinada, iniciando de esta forma las reacciones de polimerización radicalaria o catiónica.

Para activar los fotoiniciadores y hacer que la resina solidifique se emplea luz, generalmente azul (405 nm) o violeta (365 nm - 385 nm), por tratarse de la banda más energética del espectro visible. Para ello se ilumina en cada capa solamente las zonas que formarán parte de la pieza.

Imagen 1: Espectro de luz visible. Fuente: Wikipedia.com

Las tecnologías de impresión 3D de resina vienen determinadas por el tipo de fuente de luz y el método de iluminación selectiva empleado. Actualmente las tecnologías más comunes son tres: SLA, DLP y LED-LCD.

Impresión 3D SLA

La impresión 3D SLA o estereolitografía es la tecnología de impresión 3D comercial más antigua. Se desarrolló durante la primera mitad de los años 80 y fue patentada en 1986 por el fundador de 3D Systems Chuck Hull, sólo tres años antes de que Scott Crump, fundador de Stratasys, patentase la tecnología FDM.

En la impresión 3D SLA, la resina se cura empleando un haz láser de entre 150 y 300 µm de diámetro. El láser barre la superficie de cada capa mediante un sistema de espejos móviles llamado galvanómetro. La principal ventaja de esta tecnología es la alta precisión que puede lograr, especialmente en el área central de la plataforma de construcción, sólo superada por la tecnología SLS.

Imagen 2: Proceso de impresión SLA. Fuente 3Dhubs.com

Otra de sus ventajas, derivada en parte de esta alta precisión, es que consigue unos acabados superficiales superiores a los obtenidos en DLP y LED-LCD al no presentar el efecto escalera que se puede observar en estas últimas.

Imagen 3: Acabado superficial en impresión 3D SLA y DLP. Fuente: Formlabs.com

Sin embargo, no todo son ventajas, ya que se trata de la tecnología de impresión con resina más lenta. Para cada capa es necesario barrer con el láser toda la superficie de la pieza, lo cual es un proceso lento, que se incrementa cuantas más piezas posicionemos en el espacio de construcción. Además, es necesario mantener las velocidades de barrido dentro de un rango concreto, ya que velocidades muy altas redundarían en una pérdida de precisión, principal punto fuerte de esta tecnología.

Video 1: Funcionamiento de la impresión SLA. Fuente: Formlabs.com

Es la tecnología usada por las reconocidas impresoras de Formlabs, marca referente de impresión con resina. Impresoras como la Form 3 o la Form 3B emplean esta tecnología en conjunto con galvanómetros de alta precisión para ofrecer los más altos estándares de calidad en sectores críticos como la alta joyería, la odontología o la medicina.

Imagen 4: Impresora Form 3B. Fuente: Formlabs.com

Impresión 3D DLP

La tecnología de impresión 3D DLP se desarrolló con el objetivo de reducir los tiempos de impresión 3D con resina. En lugar de barrer la superficie de la pieza mediante un láser, se proyecta la capa entera de manera simultánea mediante el uso de una fuente de luz, un dispositivo formado por una matriz de microespejos móviles conocido como DMD (Digital Micromirror Device) y un juego de lentes responsable de proyectar la imagen sobre la resina.

Video 2: Funcionamiento de un DMD. Fuente: TI.com

Esta tecnología supuso una revolución, ya que cada capa se forma en unos pocos segundos y el tiempo de impresión es independiente del número de piezas colocadas en la base, sólo de la altura de estas.

Su principal inconveniente es que la resolución de impresión viene determinada por la densidad de microespejos que forman el DMD y la superficie proyectada. Para un mismo sistema DMD, una mayor superficie de impresión siempre redundará en una disminución proporcional de resolución, algo que no pasa con los sistemas SLA, donde la resolución viene determinada por el diámetro del haz láser y es independiente de la superficie de impresión.

Además, el uso de lentes para la proyección puede provocar distorsiones en las zonas alejadas del centro, que son mayores cuanto mayor sea el tamaño de construcción. Es posible corregir estas deformaciones empleando sistemas ópticos más complejos, sin embargo, suelen encarecer en gran medida el coste del dispositivo, por lo que no resultaron muy populares.

La calidad superficial de las piezas suele ser ligeramente inferior a las producidas mediante SLA, apareciendo en muchos casos el efecto escalera.

Imagen 5: Efecto escalera derivado del uso de voxels cuadrados en DLP. Fuente: theorthocosmos.com

Aunque los tiempos de impresión se acortaban de forma crítica, esta tecnología no llegó a desplazar a la tecnología SLA. A día de hoy se trata de una tecnología en desuso, desplazada principalmente por la aparición de la tecnología LED-LCD.

Impresión 3D LED-LCD o MSLA

Se trata de la última tecnología en llegar al mercado y que ha experimentado un crecimiento importante en los últimos años. Fue desarrollada como una evolución de la tecnología DLP, y a día de hoy prácticamente la ha reemplazado.

El funcionamiento es similar a la tecnología DLP, sin embargo, en lugar de reflejar la luz mediante un dispositivo digital de microespejos (DMD), emplea un dispositivo LCD en el que cada pixel actúa como una pequeña ventana que bloquea o deja pasar la luz.

Imagen 6: SLA vs DLP vs MSLA. Fuente: theorthocosmos.com

Los dispositivos LCD son los mismos que se emplean en pantallas móviles o paneles de TV o ordenador, por lo que el coste es muy inferior al de los dispositivos DMD. Además, están disponibles en tamaños desde las 3” hasta las 80”, por lo que la proyección es directa y perpendicular a la base en toda la superficie. Esto evita el uso de caros y complejos sistemas de lentes de proyección y las distorsiones que provocan en las piezas producidas mediante DLP.

Entre sus principales ventajas destacan su alta velocidad de impresión y su bajo coste. Además, supera a la tecnología DLP en dos aspectos fundamentales: por un lado, como ya se ha comentado, la proyección perpendicular evita la aparición de distorsiones derivado de la proyección oblicua que proporcionan las lentes presentes en los sistemas DLP. Por otro los dispositivos LCD no sólo bloquean o dejan pasar la luz, sino que además pueden filtrarla, variando la intensidad de luz independientemente en cada pixel. Esto hace posible el uso de procesos de anti-aliasing que reducen el efecto escalera y permiten obtener calidades superficiales muy cercanas a las obtenidas mediante SLA.

Imagen 7: Muestreo de subpíxel o antialiasing para evitar efecto escalera. Fuente: hackaday.com

Todo esto ha provocado que su crecimiento en los últimos años no sólo haya desplazado a la tecnología DLP sino que esté empezando a reemplazar a la tecnología SLA en sectores como el de la odontología, donde la tecnología SLA es un estándar.

Entre sus inconvenientes destaca principalmente el elevado calentamiento que producen las matrices LED empleadas y que obliga a implementar sistemas de refrigeración efectiva que evite el calentamiento de la resina en impresiones largas.

Imagen 8: Sistema de refrigeración líquida de una impresora Uniz. Fuente: Uniz.com

Es la tecnología presente en todas las impresoras 3D de resina de bajo coste y también los últimos modelos profesionales como la Uniz Slash.

Imagen 9: Impresora Uniz Slash Plus. Fuente: Uniz.com

Que tecnología escoger

A día de hoy el dilema se podría reducir a dos tecnologías: SLA o LED-LCD.

A pesar del crecimiento de la tecnología LED-LCD, la tecnología SLA sigue siendo mayoritaria en los entornos profesionales. Esto se debe a dos razones, por un lado la alta calidad y precisión obtenida mediante SLA con impresoras como las Formlabs es difícil de igualar. Por otro, las nuevas tecnologías necesitan de un periodo de transición para hacerse un hueco en las empresas debido a la necesidad de amortizar los equipos actuales y a la desconfianza ante nuevos sistemas con baja implementación en su sector.

Sin embargo, las nuevas impresoras profesionales LED-LCD como las Uniz, pueden suponer una ventaja competitiva importante al permitir producir pequeñas series con una calidad similar a la SLA y en una fracción de tiempo. Por ejemplo, en la producción de modelos para moldeado a la cera perdida, muy usado en algunas ramas de la joyería y que puede suponer un ahorro importante, no sólo de tiempo y recursos, sino también económico.

La decisión entre una u otra debe basarse en las necesidades del usuario entre precisión y capacidad productiva. En muchos casos debe pensarse en ellas no como tecnologías rivales, sino como complementarias, teniendo un equipo dedicado a producción de pequeñas series y otro para trabajos más delicados y precisos.