Cómo elegir la tecnología más adecuada:FDM, SLA y SLS

Fabricación aditiva es el término utilizado para describir el conjunto completo de tecnologías de fabricación basadas en la formación de contribución de material . Esto significa que, a diferencia de la fabricación sustractiva (que engloba los métodos de mecanizado CNC tradicionales), se basa en construir piezas proporcionando capa a capa la cantidad precisa de material de forma selectiva.

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

Aunque existen muchas tecnologías y variantes, las más comunes y extendidas dentro de la industria son tres:

• Deposición de material fundido (FDM)
• Fotopolimerización selectiva de resinas (SLA)
• Sinterización selectiva por láser (SLS)

Aunque la más extendida es sin duda la tecnología FDM. Principalmente debido a la aparición de las impresoras 3D de bajo coste basadas en esta tecnología, en los últimos años han ido ganando terreno tanto la tecnología SLA como la SLS . Empresas como Formlabs o Sinterit equipos del mercado, basados ​​en SLA y SLS respectivamente, capaces de conseguir calidades industriales a precios realmente competitivos. Esto unido a la aparición de nuevos materiales dificulta en la actualidad que una empresa o profesional se decante por una tecnología u otra.

A continuación detallamos cuáles son las principales características de cada uno, así como sus diferencias, ventajas y desventajas.

Modelado por deposición fundida (FDM)

Es de lejos 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 de la boquilla de filamento, se deposita selectivamente capa por capa para formar la pieza.

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

A pesar de ser el más común,es el más complejo a la hora de diseñar y preparar archivos para imprimir . Las limitaciones de la impresión 3D FDM suelen determinar el propio diseño , por lo que, en general, cuando las piezas se producen con esta tecnología, es necesario diseñarlas o rediseñarlas para que sean compatibles. Esto puede ser un gran problema cuando el objetivo de la impresión 3D es validar modelos que luego se producirán utilizando otros métodos de producción.

Entre todas las limitaciones, las más importantes son la necesidad de utilizar soportes y la imposibilidad de obtener isotropía mecánica.

Dado que el material fundido no puede depositarse en el aire, no es posible imprimir directamente puentes o voladizos, por lo que en estos casos es necesario añadir estructuras de soporte. Esto supone un mayor gasto de material y tiempo, además de que las piezas necesitarán un postprocesado 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 del uso de soportes es imprimirlos con un material soluble . Esto facilitará su eliminación y mejorará la calidad de la superficie del área de contacto. Esto requiere que la impresora tenga un sistema de doble extrusor como el sistema IDEX para las impresoras BCN3D Sigma y BCN3D Sigmax o el doble extrusor Bondtech incorporado en las impresoras 3D Raise Pro2.

Película 1:Sistema IDEX BCN3D. Fuente:BCN3D

Por otro lado, como explicamos en un artículo anterior, usando FDM es imposible obtener piezas isotrópicas , que es un problema importante en ciertas aplicaciones mecánicas y estructurales.

Otras limitaciones importantes son la baja resolución y las altas tolerancias. . Aunque utilizando boquillas de pequeño diámetro es posible conseguir resoluciones Z cercanas a las conseguidas por SLA o SLS, la resolución XY siempre será mucho menor y estará condicionada por el material utilizado . Esto se debe a que la resolución está determinada por el diámetro de la boquilla utilizada y no todos los materiales son compatibles con boquillas de pequeño diámetro.

Sin embargo, no todo son desventajas. La tecnología FDM dispone, con diferencia, de la más amplia gama de materiales y al menor coste , además de mayores volúmenes de impresión y, aunque se ha acortado la diferencia de precio entre las distintas tecnologías, sigue siendo la tecnología más barata.

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

Además es una tecnología limpia y segura que requiere poca preparación antes de imprimir . Esto permite ubicarla en cualquier entorno y permite una mayor inmediatez que la impresión SLA y SLS que requieren tareas de preparación y limpieza más extensas, convirtiéndola en la tecnología perfecta para aplicaciones educativas en cualquier nivel, desde elemental hasta estudios superiores.

Es una tecnología ideal para la impresión de plantillas y herramientas, piezas con un volumen medio grande o para aquellas aplicaciones que requieren materiales específicos no disponibles para otras tecnologías.

Otro sector en el que la impresión 3D FDM ofrece grandes ventajas es en la producción de maquetas arquitectónicas . Por lo general, este tipo de proyectos se componen de piezas voluminosas que no requieren de mucha precisión. Esto, unido a la disponibilidad de materiales como Filamet, Timberfill, Smartfil EP o PLA Mukha capaces de proporcionar acabados metálicos, de madera o cerámicos a las piezas sin necesidad de postprocesado.

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

Estereolitografía (SLA)

Es la segunda tecnología de impresión 3D más común. Se basado en exponer una cubeta de resina fotocurable de forma selectiva a la luz ultravioleta capa a capa . Esta exposición selectiva puede ser mediante un escáner 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 soportes que deben retirarse después de la impresión, sin embargo, la impresión 3D SLA actualmente no permite la impresión simultánea con dos materiales, por lo que la única forma de retirar los soportes es mecánicamente . Esto quiere decir que en este caso también se ve afectada la superficie de la pieza en aquellas zonas donde ha habido contacto con los soportes.

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

Otra diferencia fundamental con la impresión 3D FDM es que utiliza polímeros termoestables en lugar de termoplásticos. Además, los materiales SLA tienden a ser más caros que los materiales FDM y tienen cierta toxicidad. . Esto, unido a que las piezas requieren limpieza y postprocesado tareas, 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 que se puede lograr mediante la impresión 3D SLA. En general se pueden conseguir resoluciones de hasta 50 um en todos los planos .

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

Es perfecto para imprimir pequeñas piezas que requieran alta resolución y excelentes acabados superficiales . Actualmente es la tecnología de impresión 3D más popular en las industrias dental y de joyería . Por eso cuenta con el más amplio catálogo de resinas dentales y calcinables.

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

Sinterización selectiva por láser (SLS)

Probablemente sea la tecnología menos conocida , a pesar de ser uno de los más antiguos y comunes en entornos industriales.

Esto se debe a que hasta hace poco tiempo todos los equipos de impresión 3D SLS requerían de unas 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 de sobremesa, 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 la producción tanto de piezas termoplásticas como metálicas, como el objetivo de este artículo es comprender las diferencias entre las tres tecnologías, nos centraremos únicamente en la impresión termoplástica 3D SLS.

La impresión 3D SLS consiste en la sinterización selectiva, mediante un sistema de escaneo láser, de capas de material en polvo. Cada vez que se sinteriza una capa, la plataforma de construcción baja y un dispositivo especial llamado recubridor 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 las restricciones de diseño sean mucho menores que en cualquier otra tecnología , además de simplificar mucho el post-procesamiento de las partes.

Esto, junto con la alta precisión logrado por el láser, superior al obtenido por la impresión 3D SLA o FDM, hace posible imprimir ensamblajes complejos directamente, sin tener que imprimir sus componentes individualmente.

Película 2:Cambio de bicicleta producido directamente mediante impresión 3D SLS. Fuente:Sinterit.

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

Las impresoras 3D SLS no tienen una amplia gama de materiales compatibles como la impresión 3D FDM , sin embargo, la posibilidad de utilizar materiales técnicos como diferentes tipos de nailon, o TPE y TPU , lo hace capaz de cubrir la mayoría de las aplicaciones.

Película 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 tienen grandes volúmenes de construcción similares a los que se encuentran en los sistemas FDM, las impresoras 3D de escritorio SLS tienen volúmenes de impresión similares a las impresoras SLA.

Además, aunque el procesamiento posterior de la pieza se limita a la limpieza para eliminar el exceso de polvo sin sinterizar , las impresoras 3D SLS requieren preparación y limpieza que hacen que sea menos inmediata que la impresión FDM .

Aunque todas estas características han convertido a esta tecnología en el estándar de la industria , sus altos costos han limitado su acceso a las pequeñas y medianas empresas. Con la llegada de impresoras 3D SLS de escritorio asequibles como Lisa y Lisa Pro en los últimos años, esto está cambiando. Aunque su coste sigue siendo ligeramente superior al de modelos equivalentes en FDM y SLA, actualmente el coste ya no es un factor determinante a la hora de elegir una tecnología u otra.

Imagen 9:Sinterit Lisa favorable. 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:

Características>Características
Característica	FDM	SLA	SLS
Principio de funcionamiento	Extrusión de material fundido	Fotopolimerización de resinas	Micropartículas sinterizadas
Tipo de materiales compatibles	Termoplásticos	Resina fotopolimerizable	Termoplásticos
Cantidad de materiales compatibles	Muy alto	Medio	Bajo
Precio de los materiales	Medio - Bajo	Alto	Medio
Complejidad	Alto	Medio	Medio
Inmediatez	Muy alto	Medio	Bajo
Resolución mínima de capa	0,1 mm	0,05 mm	0,06 mm
Resolución máxima en XY	0,25 mm	0,05 mm	0,08 - 0,08 mm
Precisión	Bajo	Medio	Alto
Aplicaciones	Prototipado rápido. Educación. Fabricación de plantillas y herramientas.	Modelos con pequeños detalles. Negativos calcinables para joyería y odontología. Férulas.	Prototipos funcionales. Series cortas. Plantillas y herramientas. Componentes ortopédicos. Modelos médicos
Ventaja	Precio bajo. Inmediatez. Materiales disponibles.	Alta resolución. Materiales dentales y calcinables de calidad.	Imprimir sin soportes. Piezas de alta calidad. Imprimir ensamblajes directamente. Alta precisión.
Desventajas	Necesita usar soportes. Algunos materiales tienen una gran contracción.	Alto costo de materiales. Bajo volumen de impresión.	Largos tiempos de impresión. Bajo volumen de impresión.

La siguiente tabla muestra las limitaciones de diseño de cada tecnología:

Requisitos de diseño
Característica	FDM	SLA	SLS
Voladizos	Requiere soportes a partir de 45º	Siempre necesita apoyo	Nunca necesita ayuda
Puentes	Requiere soportes a partir de 10 mm	No necesita soportes, aunque se recomiendan	Nunca necesita ayuda
Grosor mínimo de pared	0,8 mm	0,5 mm en paredes apoyadas 1 mm en paredes sin soporte	0,7 mm
Grabados	0,6 mm de ancho 2 mm de altura	0,4 mm	1 mm
Diámetro mínimo de agujeros	2 mm	0,5 mm	1,5 mm
Tolerancia en piezas móviles y conexiones	0,5 mm	0,5 mm	0,3 mm en piezas móviles 0,1 mm en conexiones
Agujeros de escape en piezas huecas	No necesita	4 mm	5 mm
Tamaño mínimo de detalle	2 mm	0,2 mm	0,8 mm
Diámetro mínimo de columna	3 mm	0,5 mm	0,8 mm
Tolerancias generales	±0,5 % (límite inferior ± 0,5 mm)	±0,5 % (límite inferior ± 0,15 mm)	±0,3 % (límite inferior ± 0,3 mm)

Hoy en día, los ordenadores basados ​​en estas tres tecnologías están disponibles en el mercado en un rango de precio similar, como las impresoras de los fabricantes Raise3D, Formlabs o Sinterit. Gracias a esto, el único criterio a la hora de tomar la decisión de implantar una tecnología u otra será el criterio técnico.

Es necesario evaluar bien las necesidades y el uso que se le dará a la impresora 3D para decidir qué tecnología es la más adecuada y poder rentabilizar la inversión.