Impresoras 3D de resina: SLA, DLP y LED‑LCD explicadas

La impresión 3D de resinas fotocurables ha ido ganando terreno en los últimos años hasta convertirse en la segunda tecnología de impresión 3D más popular después de FFF, tanto en entornos profesionales como maker. Este auge ha sido resultado de dos factores importantes. Por un lado, el menor coste 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 precio que las FFF. Por otro lado, la aparición de nuevos materiales como resinas dentales, flexibles y de ingeniería ha permitido producir piezas de resina que antes solo eran viables usando FDM o SLS.

La principal fortaleza de la impresión 3D de resina, que ha atraído la atención de sectores profesionales como la odontología o la joyería, es la alta resolución que es capaz de alcanzar, oscilando entre 50 µm y 150 µm en XY y entre 30 µm y 200 µm en Z, lo que está por debajo de la resolución mínima de una impresora 3D FFF. Como resultado, las piezas impresas en resina tienen una alta calidad superficial y un alto nivel de detalle, dándoles la mayor calidad estética de todas las tecnologías de fabricación aditiva.

Base de la impresión 3D de resina

La impresión 3D de resina se basa en un principio completamente diferente al usado en la mayoría de tecnologías de impresión 3D como FFF o SLS. Mientras que en estas se usa un polímero termoplástico como punto de partida y se calienta a su temperatura de fusión para formar la pieza, la impresión de resina se basa en polimerizar una mezcla reactiva de monómeros y oligómeros mediante aplicación selectiva de luz. Esto significa que, en lugar de usar plástico como materia prima, en la impresión de resina se usan los componentes básicos que componen el plástico y este se forma por reacción química durante el proceso de impresión.

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

Monómeros y oligómeros: Son pequeñas moléculas que reaccionan entre sí para formar largas cadenas poliméricas, que son el componente fundamental del plástico. La longitud de estas cadenas determinará en gran medida sus propiedades.

Agente de entrecruzamiento (cross-linking agent): Consiste en moléculas más grandes o pequeñas con dos o más grupos reactivos capaces de unirse en varios puntos a las cadenas poliméricas. Su función es mantener las cadenas firmemente unidas entre sí. En general, los plásticos formados en presencia de agentes de entrecruzamiento dan lugar a lo que se conoce como plásticos termoendurecibles o resinas.

Fotoiniciador: Es el responsable de promover la reacción entre los monómeros o de estos con el agente de entrecruzamiento. Son moléculas orgánicas, generalmente colorantes o fluoróforos, capaces de producir cationes o radicales libres en presencia de luz a una longitud de onda dada, iniciando así reacciones de polimerización radicalaria o catiónica.

Se usa luz, generalmente azul (405 nm) o violeta (365 nm - 385 nm), para activar los fotoiniciadores y hacer que la resina se solidifique, ya que esta es la banda más energética del espectro visible. Para ello, solo se iluminan las áreas que formarán parte de la pieza en cada capa.

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 usado. Actualmente hay tres tecnologías comunes: 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 Chuck Hull, fundador de 3D Systems, solo tres años antes de que Scott Crump, fundador de Stratasys, patentara la tecnología FDM.

En la impresión 3D SLA, la resina se cura usando un haz láser de entre 150 y 300 µm de diámetro. El láser barre la superficie de cada capa usando un sistema de espejos móviles llamado galvanómetro. La principal ventaja de esta tecnología es la alta precisión que puede alcanzar, especialmente en la zona central de la plataforma de construcción, que solo es 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 logra un acabado superficial superior al obtenido en DLP y LED-LCD ya que no presenta el efecto escalera que se ve en estos últimos.

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

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

Video 1: Cómo funciona la impresión SLA. Fuente: Formlabs.com

Esta es la tecnología usada por las renombradas impresoras Formlabs, la marca de referencia en impresión de resina. Impresoras como la Form 3 o Form 3B usan esta tecnología junto con galvanómetros de alta precisión para ofrecer los más altos estándares de calidad en sectores críticos como alta joyería, odontología o 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 de resina. En lugar de barrer la superficie de la pieza con un láser, se proyecta la capa completa simultáneamente usando una fuente de luz, un dispositivo que consta de un array de micromirrors móviles conocido como DMD (Digital Micromirror Device) y un conjunto de lentes responsables de proyectar la imagen sobre la resina.

Video 2: Cómo funciona un DMD. Fuente: TI.com

Esta tecnología fue 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, dependiendo solo de la altura de estas.

Su principal desventaja es que la resolución de impresión viene determinada por la densidad de micromirrors que forman el DMD y la superficie proyectada. Para el mismo sistema DMD, una superficie de impresión mayor siempre resultará en una disminución proporcional de la resolución, lo que no ocurre 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 de proyección puede causar distorsiones en zonas alejadas del centro, que son mayores cuanto mayor sea el tamaño de construcción. Es posible corregir estas distorsiones usando sistemas ópticos más complejos, sin embargo, suelen encarecer mucho el dispositivo y por tanto no son muy populares.

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

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

Aunque los tiempos de impresión se acortaron críticamente, esta tecnología no desplazó a la SLA. Hoy, es una tecnología que ha caído en desuso, desplazada principalmente por la aparición de la tecnología LED-LCD.

Impresión 3D LED-LCD o MSLA

Es la tecnología más reciente en llegar al mercado y ha experimentado un crecimiento significativo en los últimos años. Se desarrolló como una evolución de la tecnología DLP, y hoy ha sustituido prácticamente a esta.

Su funcionamiento es similar a la tecnología DLP, sin embargo, en lugar de reflejar la luz usando un dispositivo de micromirrors digital (DMD), usa un dispositivo LCD en el que cada píxel 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 usan en pantallas de móviles, TV o paneles de ordenador, por lo que el coste es mucho menor que el de los dispositivos DMD. Además, están disponibles en tamaños desde 3" a 80", por lo que la proyección es directa y perpendicular a la base sobre toda la superficie. Esto evita el uso de costosos y complejos sistemas de lentes de proyección y las distorsiones que causan en las piezas producidas por DLP.

Entre sus principales ventajas están su alta velocidad de impresión y bajo coste. Además, supera a la tecnología DLP en dos aspectos clave. Como se ha señalado, la proyección perpendicular evita la distorsión de la proyección oblicua que proporcionan las lentes en sistemas DLP. En segundo lugar, los dispositivos LCD no solo bloquean o dejan pasar la luz, sino que también pueden filtrarla variando la intensidad de forma independiente en cada píxel. Esto permite usar procesos de anti-aliasing que reducen el efecto escalera y logran calidades superficiales muy cercanas a las obtenidas por SLA.

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Imagen 7: Submuestreo de sub-píxel o anti-aliasing para evitar efecto escalera. Fuente: hackaday.com

Todo esto ha hecho que su crecimiento en los últimos años no solo haya desplazado a la tecnología DLP sino que esté empezando a reemplazar a la SLA en industrias como la odontología, donde la tecnología SLA es un estándar.

Uno de los principales inconvenientes es el alto nivel de calentamiento producido por las matrices LED usadas, lo que significa que deben implementarse sistemas de refrigeración eficaces para evitar que la resina se caliente 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 en los últimos modelos profesionales como la Uniz Slash.

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

¿Qué tecnología elegir?

Hoy el dilema podría reducirse a dos tecnologías: SLA o LED-LCD.

A pesar del crecimiento de la tecnología LED-LCD, la tecnología SLA sigue siendo mayoritaria en entornos profesionales. Hay dos razones para esto: primero, la alta calidad y precisión lograda por SLA con impresoras como Formlabs es difícil de igualar. Por otro lado, las nuevas tecnologías necesitan un período de transición para hacerse hueco en las empresas debido a la necesidad de amortizar los equipos actuales y la desconfianza hacia nuevos sistemas con poca implantación en su sector.

Sin embargo, las nuevas impresoras LED-LCD profesionales, como la Uniz, pueden proporcionar una importante ventaja competitiva al permitir producir series cortas con una calidad similar a SLA y en una fracción del tiempo. Por ejemplo, en la producción de modelos para fundición a la cera perdida, muy usada en algunas ramas de la joyería y que puede conllevar importantes ahorros, no solo en tiempo y recursos, sino también en costes.

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