Stampanti 3D a resina: SLA, DLP e LED-LCD

La stampa 3D di resine fotopolimerizzabili ha guadagnato importanza negli ultimi anni diventando la seconda tecnologia di stampa 3D più popolare dopo FFF, sia in ambienti professionali che tra gli appassionati del settore. Questo aumento è stato il risultato di due fattori importanti. Da un lato, il dimezzamento dei prezzi delle stampanti 3D a resina grazie all'introduzione di nuove tecnologie ha posizionato le stampanti a resina nella stessa fascia di prezzo di quelle FFF. Dall'altro lato, l'emergere di nuovi materiali come le resine dentali, flessibili o ingegneristiche consente di realizzare pezzi in resina che in passato erano possibili solo con FDM o SLS.

Il principale punto di forza della stampa 3D a resina, che ha attirato l'attenzione di settori professionali come l'odontoiatria o la gioielleria, è l'alta risoluzione che può raggiungere, compresa tra i 50 µm e 150 µm in XY e tra 30 µm e 200 µm in Z, al di sotto della risoluzione minima di una stampante 3D FFF. Di conseguenza, i pezzi stampati in resina presentano una alta qualità superficiale e un elevato livello di dettaglio, conferendo loro la qualità estetica più elevata tra tutte le tecnologie di produzione additiva.

Principio della stampa 3D a resina

La stampa 3D a resina si basa su un principio completamente diverso rispetto alla maggior parte delle tecnologie di stampa 3D come FFF o SLS. Mentre queste ultime partono da un polimero termoplastico riscaldato fino alla temperatura di fusione per formare il pezzo, la stampa di resine si basa sulla polimerizzazione di una miscela reattiva di monomeri e oligomeri mediante l'applicazione selettiva di luce. Ciò implica che, anziché utilizzare la plastica come materia prima, nella stampa a resina vengono utilizzati i componenti di base che costituiscono la plastica e questa si forma attraverso una reazione chimica durante il processo di stampa.

Le resine per la stampa 3D sono principalmente composte da tre componenti:

Monomeri e oligomeri: Si tratta di piccole molecole che reagendo tra loro si uniscono formando lunghe catene polimeriche, le quali costituiscono il componente fondamentale della plastica. La lunghezza di queste catene determinerà in larga misura le sue proprietà.

Agente di reticolazione: Consiste in molecole di dimensioni maggiori o minori con due o più gruppi reattivi in grado di legarsi in diversi punti alle catene polimeriche. La sua funzione è mantenere le catene saldamente unite tra loro. In generale, le plastiche formate in presenza di agenti di reticolazione danno origine a ciò che è noto come plastiche o resine termoindurenti.

Fotoiniziatore: È il responsabile di promuovere la reazione tra i monomeri o tra questi e l'agente di reticolazione. Si tratta di molecole organiche, generalmente coloranti o fluorofori, capaci di produrre cationi o radicali liberi in presenza di luce a una determinata lunghezza d'onda, avviando così le reazioni di polimerizzazione radicalica o cationica.

Per attivare i fotoiniziatori e far solidificare la resina, viene utilizzata la luce, generalmente blu (405 nm) o viola (365 nm - 385 nm), poiché rappresenta la banda più energetica dello spettro visibile. A tal fine, vengono illuminate solo le zone che formeranno parte del pezzo in ogni strato.

Immagine 1: Spettro di luce visibile. Fonte: Wikipedia.com

Le tecnologie di stampa 3D in resina sono determinate dal tipo di sorgente luminosa e dal metodo di illuminazione selettiva utilizzato. Attualmente le tecnologie più comuni sono tre: SLA, DLP e LED-LCD.

Stampa 3D SLA

La stampa 3D SLA o stereolitografia è la più antica tecnologia di stampa 3D commerciale. È stata sviluppata nella prima metà degli anni '80 e brevettata nel 1986 dal fondatore di 3D Systems, Chuck Hull, solo tre anni prima che Scott Crump, fondatore di Stratasys, brevettasse la tecnologia FDM.

Nella stampa 3D SLA, la resina viene solidificata utilizzando un raggio laser con un diametro compreso tra 150 e 300 µm. Il laser scansiona la superficie di ogni strato mediante un sistema di specchi mobili chiamato galvanometro. Il principale vantaggio di questa tecnologia è l'alta precisione che può essere raggiunta, specialmente nell'area centrale della piattaforma di costruzione, superata solo dalla tecnologia SLS.

Immagine 2: Processo di stampa SLA. Fonte: 3Dhubs.com

Un altro vantaggio, derivato in parte da questa elevata precisione, è che si ottiene una finitura superficiale superiore rispetto a quella ottenuta con DLP e LED-LCD, poiché non presenta l'effetto "scala" osservabile in queste ultime.

Immagine 3: Finitura superficiale nella stampa 3D SLA e DLP. Fonte: Formlabs.com

Tuttavia, non tutto sono vantaggi, in quanto si tratta della tecnologia di stampa con resina più lenta. Per ogni strato è necessario scansionare l'intera superficie del pezzo con il laser, il che è un processo lento e che si allunga quanto più pezzi vengono posizionati nello spazio di costruzione. Inoltre, è necessario mantenere le velocità di scansione all'interno di un range specifico, poiché velocità troppo elevate comporterebbero una perdita di precisione, che è il punto forte principale di questa tecnologia.

Video 1: Funzionamento della stampa SLA. Fonte: Formlabs.com

È la tecnologia utilizzata dalle rinomate stampanti di Formlabs, un marchio di riferimento nella stampa con resina. Stampanti come la Form 3 o la Form 3B utilizzano questa tecnologia in combinazione con galvanometri ad alta precisione per offrire i più alti standard di qualità in settori critici come l'alta gioielleria, l'odontoiatria o la medicina.

Immagine 4: Stampante Form 3B. Fonte: Formlabs.com

Stampa 3D DLP

La tecnologia di stampa 3D DLP è stata sviluppata con l'obiettivo di ridurre i tempi di stampa 3D con resina. Invece di scansionare la superficie del pezzo con un laser, viene proiettato l'intero strato contemporaneamente utilizzando una fonte di luce, un dispositivo composto da una matrice di microspecchi mobili noto come DMD (Digital Micromirror Device) e un set di lenti responsabili di proiettare l'immagine sulla resina.

Video 2: Funzionamento di un DMD. Fonte: TI.com

Questa tecnologia ha rappresentato una rivoluzione, poiché ogni strato viene formato in pochi secondi e il tempo di stampa è indipendente dal numero di pezzi posizionati sulla base, dipende solo dall'altezza di questi.

Il suo principale svantaggio è che la risoluzione di stampa è determinata dalla densità dei microspecchi che compongono il DMD e dalla superficie proiettata. Per lo stesso sistema DMD, una maggiore superficie di stampa comporta sempre una diminuzione proporzionale della risoluzione, a differenza dei sistemi SLA, dove la risoluzione è determinata dal diametro del raggio laser ed è indipendente dalla superficie di stampa.

Inoltre, l'uso di lenti per la proiezione può causare distorsioni nelle zone lontane dal centro, che sono maggiori quanto più grande è la dimensione di costruzione. È possibile correggere queste deformazioni utilizzando sistemi ottici più complessi, tuttavia, di solito aumentano notevolmente il costo del dispositivo, quindi non sono diventati molto popolari.

La qualità superficiale delle parti tende ad essere leggermente inferiore rispetto a quelle prodotte tramite SLA, con la comparsa in molti casi dell'effetto a scala.

Immagine 5: Effetto a scala derivato dall'uso di voxel quadrati in DLP. Fonte: theorthocosmos.com

Anche se i tempi di stampa si riducevano in modo significativo, questa tecnologia non è riuscita a sostituire la tecnologia SLA. Oggi è considerata una tecnologia obsoleta, sostituita principalmente dalla tecnologia LED-LCD.

Stampa 3D LED-LCD o MSLA

Questa è l'ultima tecnologia ad arrivare sul mercato e ha registrato una crescita significativa negli ultimi anni. È stata sviluppata come un'evoluzione della tecnologia DLP e, al giorno d'oggi, la sostituisce praticamente completamente.

Il funzionamento è simile alla tecnologia DLP, tuttavia, invece di riflettere la luce tramite un dispositivo digitale di microspecchi (DMD), utilizza un dispositivo LCD in cui ogni pixel agisce come una piccola finestra che blocca o lascia passare la luce.

Immagine 6: SLA vs DLP vs MSLA. Fonte: theorthocosmos.com

I dispositivi LCD sono gli stessi utilizzati nei display dei telefoni cellulari o nei pannelli TV o dei computer, quindi il costo è molto inferiore rispetto ai dispositivi DMD. Inoltre, sono disponibili in dimensioni da 3" a 80", quindi la proiezione è diretta e perpendicolare alla base su tutta la superficie. Questo evita l'uso di costosi e complessi sistemi di lenti di proiezione e le distorsioni che si verificano nelle parti prodotte tramite DLP.

Tra i principali vantaggi si distinguono l'alta velocità di stampa e il basso costo. Inoltre, supera la tecnologia DLP su due aspetti fondamentali: da un lato, come già accennato, la proiezione perpendicolare evita la comparsa di distorsioni derivanti dalla proiezione obliqua fornita dalle lenti presenti nei sistemi DLP. Inoltre, i dispositivi LCD non solo bloccano o lasciano passare la luce, ma possono anche filtrarla, modificando l'intensità della luce in modo indipendente su ogni pixel. Questo rende possibile l'uso di processi di anti-aliasing che riducono l'effetto a scala e consentono di ottenere una qualità superficiale molto simile a quella ottenuta con la tecnologia SLA.

Image 7: Subpixel sampling or anti-aliasing to avoid the staircase effect. Source: hackaday.com

Tutto questo ha portato a un aumento significativo negli ultimi anni, non solo spostando la tecnologia DLP, ma sta cominciando a sostituire la tecnologia SLA in settori come l'odontoiatria, dove la tecnologia SLA è uno standard.

Tra i suoi svantaggi, si evidenzia principalmente il riscaldamento elevato causato dalle matrici LED utilizzate, che richiede l'implementazione di sistemi di raffreddamento efficaci per evitare il surriscaldamento della resina durante le lunghe stampe.

Image 8: Sistema di raffreddamento a liquido di una stampante Uniz. Fonte: Uniz.com

Questa è la tecnologia presente in tutte le stampanti 3D a resina a basso costo e anche negli ultimi modelli professionali come la Uniz Slash.

Image 9: Stampa Uniz Slash Plus. Fonte: Uniz.com

Quale tecnologia scegliere

Oggi il dilemma potrebbe ridursi a due tecnologie: SLA o LED-LCD.

Nonostante la crescita della tecnologia LED-LCD, la tecnologia SLA rimane predominante negli ambienti professionali. Questo è dovuto a due ragioni: da un lato, l'alta qualità e precisione ottenuta tramite SLA con stampanti come le Formlabs è difficile da eguagliare. Dall'altro lato, le nuove tecnologie richiedono un periodo di transizione per farsi strada nelle aziende a causa della necessità di ammortizzare le attrezzature esistenti e della diffidenza verso nuovi sistemi con bassa implementazione nel loro settore.

Tuttavia, le nuove stampanti professionali LED-LCD come la Uniz possono rappresentare un'importante vantaggio competitivo consentendo di produrre piccole serie con una qualità simile alla SLA e in una frazione di tempo. Ad esempio, nella produzione di modelli per la fusione a cera persa, ampiamente utilizzata in alcuni settori della gioielleria e che può comportare un notevole risparmio non solo di tempo e risorse, ma anche economico.

La decisione tra una tecnologia e l'altra dovrebbe basarsi sulle esigenze dell'utente in termini di precisione e capacità produttiva. In molti casi, è opportuno considerarle non come tecnologie rivali, ma come complementari, con un'unità dedicata alla produzione di piccole serie e un'altra per lavori più delicati e precisi.