Impressoras de Resina 3D: SLA, DLP e LED-LCD

A impressão 3D de resinas curáveis à luz tem vindo a ganhar terreno nos últimos anos para se tornar a segunda tecnologia de impressão 3D mais popular depois da FFF, tanto em ambientes profissionais como de maker. Este boom tem sido o resultado de dois factores importantes. Por um lado, o custo mais baixo das impressoras de resina 3D devido ao aparecimento de novas tecnologias colocou as impressoras de resina no mesmo segmento de preço que a FFF. Por outro lado, o aparecimento de novos materiais como as resinas dentárias, flexíveis e de engenharia tornou possível a produção de peças de resina que anteriormente só eram viáveis por meio de FDM ou SLS.

A principal força da impressão em resina 3D, que tem atraído a atenção de certos sectores profissionais como a odontologia ou joalharia, é a alta resolução que é capaz de atingir, variando de 50 µm a 150 µm em XY e de 30 µm a 200 µm em Z, que está abaixo da resolução mínima de uma impressora 3D FFF. Como resultado, as peças impressas em resina têm uma elevada qualidade de superfície e um elevado nível de detalhe, dando-lhes a mais elevada qualidade estética de todas as tecnologias de fabrico de aditivos.

Base para impressão em resina 3D

A impressão em resina 3D baseia-se num princípio completamente diferente do utilizado na maioria das tecnologias de impressão 3D, tais como FFF ou SLS. Enquanto nestes, um polímero termoplástico é utilizado como ponto de partida e aquecido à temperatura de fusão para formar a peça, a impressão em resina baseia-se na polimerização de uma mistura reactiva de monómeros e oligómeros por aplicação selectiva de luz. Isto implica que, em vez de utilizar o plástico como matéria-prima, na impressão em resina são utilizados os componentes básicos que compõem o plástico e o plástico é formado por reacção química durante o processo de impressão.

As resinas para impressão 3D são constituídas principalmente por três componentes:

Monómeros e oligómeros: são pequenas moléculas que reagem entre si para formar longas cadeias de polímeros, que são o componente fundamental do plástico. O comprimento destas cadeias determinará em grande parte as suas propriedades

Agente de reticulação: Consiste em moléculas maiores ou menores com dois ou mais grupos reactivos capazes de se ligar em vários pontos às cadeias de polímeros. A sua função é manter as correntes firmemente ligadas umas às outras. Em geral, os plásticos formados na presença de agentes reticulantes dão origem ao que é conhecido como plásticos termofixa ou resinas.

Fotoiniciador: É responsável por promover a reacção entre os monómeros ou destes com o agente de reticulação. Estas são moléculas orgânicas, geralmente corantes ou fluoróforos, capazes de produzir cátions ou radicais livres na presença de luz num determinado comprimento de onda, iniciando assim reacções de polimerização radical ou catiónica.

A luz, geralmente azul (405 nm) ou violeta (365 nm - 385 nm), é utilizada para activar os fotoiniciadores e solidificar a resina, uma vez que esta é a banda mais energética do espectro visível. Para tal, apenas as áreas que farão parte da peça são iluminadas em cada camada.

Imagem 1: Espectro de luz visível. Fonte: Wikipedia.com

As tecnologias de impressão em resina 3D são determinadas pelo tipo de fonte de luz e pelo método de iluminação selectiva utilizado. Actualmente existem três tecnologias comuns: SLA, DLP e LED-LCD.

Impressão SLA 3D

A impressão SLA 3D ou estereolitografia é a mais antiga tecnologia de impressão comercial em 3D. Foi desenvolvido durante a primeira metade dos anos 80 e patenteado em 1986 pelo fundador da 3D Systems Chuck Hull, apenas três anos antes do fundador da Stratasys Scott Crump ter patenteado a tecnologia FDM.

Na impressão 3D SLA, a resina é curada utilizando um feixe laser com diâmetro entre 150 e 300 µm. O laser varre a superfície de cada camada utilizando um sistema de espelhos móveis chamado galvanómetro. A principal vantagem desta tecnologia é a alta precisão que pode alcançar, especialmente na área central da plataforma de construção, que só é ultrapassada pela tecnologia SLS.

Imagem 2: Processo de impressão SLA. Fonte 3Dhubs.com

Outra vantagem, derivada em parte desta alta precisão, é que atinge acabamentos de superfície superiores aos obtidos em DLP e LED-LCDs porque não tem o efeito de escada que se pode ver neste último.

Imagem 3: Acabamento da superfície em 3D SLA e impressão DLP. Fonte: Formlabs.com

No entanto, nem tudo é uma vantagem, uma vez que esta é a tecnologia de impressão em resina mais lenta. Para cada camada, toda a superfície da peça tem de ser digitalizada com o laser, o que é um processo lento que aumenta quanto mais peças nos posicionamos no espaço de construção. Além disso, é necessário manter as velocidades de varrimento dentro de uma gama específica, uma vez que velocidades muito altas resultariam numa perda de precisão, a principal força desta tecnologia.

Vídeo 1: Como funciona a impressão SLA Fonte: Formlabs.com

Esta é a tecnologia utilizada pelos famosos impressores Formlabs, a marca de referência para a impressão em resina. Impressoras como o Form 3 ou Form 3B utilizam esta tecnologia em conjunto com galvanómetros de alta precisão para oferecer os mais altos padrões de qualidade em sectores críticos como a joalharia, a odontologia ou a medicina.

Imagem 4: Form 3B. Fonte: Formlabs.com

Impressão 3D DLP

A tecnologia de impressão DLP 3D foi desenvolvida com o objectivo de reduzir os tempos de impressão em resina 3D. Em vez de varrer a superfície da peça com um laser, toda a camada é projectada simultaneamente utilizando uma fonte de luz, um dispositivo que consiste num conjunto de microespelhos móveis conhecido como DMD (Digital Micromirror Device) e um conjunto de lentes responsáveis pela projecção da imagem sobre a resina.

Vídeo 2: Como funciona um DMD. Fonte: TI.com

Esta tecnologia foi uma revolução, uma vez que cada camada é formada em poucos segundos e o tempo de impressão é independente do número de peças colocadas sobre a base, apenas da altura destas.

A sua principal desvantagem é que a resolução de impressão é determinada pela densidade dos microespelhos que formam o DMD e a superfície projectada. Para o mesmo sistema DMD, uma superfície de impressão maior resultará sempre numa diminuição proporcional da resolução, o que não é o caso dos sistemas SLA, em que a resolução é determinada pelo diâmetro do feixe laser e é independente da superfície de impressão.

Além disso, o uso de lentes de projecção pode causar distorções em áreas distantes do centro, que são maiores quanto maior for a dimensão da construção. É possível corrigir estas distorções utilizando sistemas ópticos mais complexos, no entanto, estes tornam frequentemente o dispositivo muito caro e, por conseguinte, pouco popular.

A qualidade da superfície das peças é geralmente ligeiramente inferior às produzidas pela SLA, e em muitos casos o efeito de escada aparece.

Imagem 5: Efeito escada derivado do uso de voxels quadrados em DLP Fonte: theorthocosmos.com

Embora os tempos de impressão tenham sido criticamente reduzidos, esta tecnologia não deslocou a tecnologia SLA. Hoje em dia é uma tecnologia em desuso, deslocada principalmente pelo aparecimento da tecnologia LED-LCD.

Impressão 3D LED-LCD ou MSLA

É a tecnologia mais recente para chegar ao mercado e tem experimentado um crescimento significativo nos últimos anos. Foi desenvolvido como uma evolução da tecnologia DLP, e hoje substituiu-a virtualmente.

O funcionamento é semelhante à tecnologia DLP, no entanto, em vez de reflectir a luz usando um dispositivo digital de espelho (DMD), emprega um dispositivo LCD em que cada pixel actua como uma pequena janela que bloqueia ou deixa entrar luz.

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

Os dispositivos LCD são os mesmos que os utilizados em ecrãs móveis ou painéis de televisão ou de computador, pelo que o custo é muito mais baixo do que o dos dispositivos DMD. Além disso, estão disponíveis em tamanhos de 3" a 80", pelo que a projecção é directa e perpendicular à base sobre toda a superfície. Isto evita a utilização de sistemas de lentes de projecção caros e complexos e as distorções que estes causam nas peças produzidas em DLP.

Entre as suas principais vantagens estão a sua alta velocidade de impressão e o seu baixo custo. Além disso, supera a tecnologia DLP de duas formas fundamentais. Em primeiro lugar, como acima referido, a projecção perpendicular impede a distorção da projecção oblíqua proporcionada pelas lentes nos sistemas DLP. Segundo, os dispositivos LCD não só bloqueiam ou deixam entrar luz, como também podem filtrá-la variando a intensidade da luz independentemente em cada pixel. Isto permite utilizar processos anti-aliasing que reduzem o efeito de escada e permitem qualidades de superfície muito próximas das obtidas pelo SLA.

Imagem 7: Amostragem de sub-pixel ou antialiasing para evitar o efeito de escada. Fonte: hackaday.com

Tudo isto significou que o seu crescimento nos últimos anos não só deslocou a tecnologia DLP mas está a começar a substituir a tecnologia SLA em indústrias como a odontologia, onde a tecnologia SLA é um padrão.

Entre as suas desvantagens está o elevado aquecimento produzido pelas matrizes LED utilizadas, o que obriga à implementação de sistemas de arrefecimento eficazes que impedem o aquecimento da resina em impressões longas.

Imagem 8: Sistema de arrefecimento líquido de uma impressora Uniz. Fonte: Uniz.com

É a tecnologia presente em todas as impressoras 3D de resina de baixo custo e também nos últimos modelos profissionais, tais como a Uniz Slash.

Imagem 9: Impressora Uniz Slash Plus. Fonte: Uniz.com

Qual tecnologia a escolher

Actualmente, o dilema poderia ser reduzido a duas tecnologias: SLA ou LED-LCD.

Apesar do crescimento da tecnologia LED-LCD, a tecnologia SLA é ainda a maioria em ambientes profissionais. Isto deve-se a duas razões, por um lado, a alta qualidade e precisão obtidas através de SLA com impressoras como a Formlabs é difícil de igualar. Por outro lado, as novas tecnologias necessitam de um período de transição para criar espaço nas empresas devido à necessidade de amortizar o equipamento actual e à desconfiança de novos sistemas com baixa implementação no seu sector.

Contudo, as novas impressoras profissionais LED-LCD como a Uniz, podem ser uma importante vantagem competitiva ao permitir a produção de pequenas séries com uma qualidade semelhante à SLA e numa fracção de tempo. Por exemplo, na produção de modelos para fundição com cera perdida, que é amplamente utilizada em alguns ramos da indústria joalheira e que pode levar a poupanças significativas, não só em tempo e recursos, mas também em custos.

A decisão entre um ou outro deve ser baseada nas necessidades do utilizador entre precisão e capacidade de produção. Em muitos casos, devem ser considerados não como tecnologias rivais, mas como complementares, tendo uma equipa dedicada à produção de pequenas séries e outra para um trabalho mais delicado e preciso.