Impresoras 3d

IMPRESORAS 3D SLA

En esta introducción a la impresión en 3D SLA, tratamos los principios básicos de la tecnología. Después de leer este artículo comprenderá la mecánica fundamental del proceso de SLA y cómo se relacionan con sus beneficios y limitaciones.

¿Qué es SLA?

La estereolitografía (SLA) es un proceso de fabricación aditivo que pertenece a la familia de la fotopolimerización en cuba. En SLA, un objeto se crea curando selectivamente una resina polimérica capa por capa utilizando un rayo láser ultravioleta (UV). Los materiales utilizados en el SLA son polímeros termoestables fotosensibles que vienen en forma líquida.

SLA es famosa por ser la primera tecnología de impresión en 3D: su inventor patentó la tecnología en 1986. Si se necesitan piezas de muy alta precisión o de acabado de superficie lisa, SLA es la tecnología de impresión 3D más rentable disponible. Los mejores resultados se obtienen cuando el diseñador aprovecha las ventajas y limitaciones del proceso de fabricación.

El SLA tiene muchas características comunes con el procesamiento directo de luz (DLP), otra tecnología de impresión en 3D de fotopolimerización en cuba. Por simplicidad, las dos tecnologías pueden ser tratadas como iguales.

¿Cómo funciona el SLA?

La plataforma de construcción se coloca primero en el tanque de fotopolímero líquido, a una distancia de una capa de altura para la superficie del líquido.

A continuación, un láser UV crea la siguiente capa curando y solidificando selectivamente la resina fotopolímera. El rayo láser se enfoca en la trayectoria predeterminada utilizando un conjunto de espejos, llamados galvos. Se escanea toda el área de la sección transversal del modelo, por lo que la pieza producida es totalmente sólida.

Cuando se termina una capa, la plataforma se mueve a una distancia segura y la hoja de la barredora vuelve a cubrir la superficie. El proceso se repite hasta que la pieza está completa.

Después de la impresión, la pieza se encuentra en un estado verde, sin curar completamente y requiere un procesamiento posterior bajo luz ultravioleta si se requieren propiedades mecánicas y térmicas muy altas.

La resina líquida se solidifica mediante un proceso llamado fotopolimerización: durante la solidificación, las cadenas de carbono monómero que componen la resina líquida son activadas por la luz del láser UV y se solidifican, creando fuertes lazos irrompibles entre sí.

El proceso de fotopolimerización es irreversible y no hay forma de convertir las piezas SLA a su forma líquida: cuando se calientan, se queman en lugar de fundirse. Esto se debe a que los materiales que se producen con SLA están hechos de polímeros termoestables, a diferencia de los termoplásticos que utiliza FDM.

Características del SLA

En los sistemas SLA, la mayoría de los parámetros de impresión son fijados por el fabricante y no pueden modificarse. Las únicas entradas son la altura de la capa y la orientación de la pieza (esta última determina la ubicación del soporte).

La altura de capa típica en SLA oscila entre 25 y 100 micras. Las alturas de capa más bajas capturan con mayor precisión las geometrías curvas, pero aumentan el tiempo de construcción (y el coste) y la probabilidad de que se produzca un fallo en la impresión. Una altura de capa de 100 micras es adecuada para las aplicaciones más comunes.

El tamaño de la construcción es otro parámetro importante para el diseñador. El tamaño de la estructura depende del tipo de máquina SLA. Hay dos configuraciones principales de la máquina SLA: la orientación de arriba hacia abajo y la orientación de abajo hacia arriba.

Las impresoras SLA de arriba hacia abajo colocan la fuente láser por encima del tanque y la pieza se construye hacia arriba. La plataforma de construcción comienza en la parte superior de la cuba de resina y se mueve hacia abajo después de cada capa.

Las impresoras SLA de abajo hacia arriba colocan la fuente de luz debajo del depósito de resina (véase la figura de arriba) y la pieza se construye al revés. El tanque tiene un fondo transparente con una capa de silicona que permite el paso de la luz del láser, pero evita que la resina curada se adhiera a él.

Después de cada capa, la resina curada se desprende del fondo del tanque, a medida que la plataforma de construcción se desplaza hacia arriba. Esto se llama el paso de pelado.

La orientación ascendente se utiliza principalmente en impresoras de sobremesa, como Formlabs, mientras que la orientación descendente se utiliza generalmente en sistemas SLA industriales. Las impresoras SLA ascendentes son más fáciles de fabricar y utilizar, pero su tamaño es limitado, ya que las fuerzas aplicadas a la pieza durante el proceso de pelado pueden provocar que la impresión falle.

Por otro lado, las impresoras descendentes pueden escalar a tamaños de construcción muy grandes sin una gran pérdida de precisión. Las capacidades avanzadas de estos sistemas tienen costos más altos.

Estructura de soporte

La estructura de soporte es siempre necesaria en el SLA. Las estructuras de soporte se imprimen en el mismo material que la pieza y deben retirarse manualmente después de la impresión. La orientación de la pieza determina la ubicación y la cantidad de soporte. Se recomienda que la pieza esté orientada de forma que las superficies visualmente críticas no entren en contacto con las estructuras de soporte.

Las impresoras SLA de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo utilizan el soporte de forma diferente:

En las impresoras SLA de arriba hacia abajo, los requisitos de soporte son similares a los de FDM. Son necesarios para imprimir con precisión voladizos y puentes (el ángulo crítico de voladizo suele ser de 30o). La pieza puede orientarse en cualquier posición y normalmente se imprimen de forma plana, para minimizar la cantidad de soporte y el número total de capas.

En las impresoras SLA de abajo hacia arriba, las cosas son más complicadas. Los voladizos y puentes aún necesitan ser soportados, pero el criterio más importante es minimizar el área de corte transversal de cada capa: las fuerzas aplicadas a la pieza durante el paso de pelado pueden hacer que se desprenda de la plataforma de construcción. Estas fuerzas son proporcionales al área de la sección transversal de cada capa. Por esta razón, las piezas están orientadas en ángulo y la reducción del soporte no es una preocupación primordial.

Rizado

Uno de los mayores problemas relacionados con la precisión de las piezas producidas mediante SLA es el curvado. El curvado es similar a la deformación en FDM.

Durante la solidificación/curado, la resina se encoge ligeramente al exponerse a la fuente de luz de la impresora. Cuando la contracción es considerable, se desarrollan grandes tensiones internas entre la nueva capa y el material previamente solidificado, lo que resulta en el curvado de la pieza.

Adhesión de capas

Las piezas impresas SLA tienen propiedades mecánicas isotrópicas. Esto se debe a que un solo paso del láser UV no es suficiente para curar completamente la resina líquida. Los pases posteriores del láser ayudan a que las capas previamente solidificadas se fusionen en un grado muy alto. De hecho:

En SLA el curado continúa incluso después de la finalización del proceso de impresión.

Para obtener las mejores propiedades mecánicas, las piezas SLA deben ser post curadas, colocándolas en una caja de curado bajo una luz UV intensa (y a veces a temperaturas elevadas). Esto mejora enormemente la dureza y la resistencia a la temperatura de la pieza SLA, pero la hace más frágil.

Por ejemplo, las piezas de prueba de piezas impresas en resina transparente estándar con una impresora SLA de sobremesa tienen una resistencia a la tracción post curado casi 2 veces mayor (65 MPa frente a 38 MPa) y pueden funcionar bajo carga a temperaturas más altas (a una temperatura máxima de 58oC frente a 42oC), pero su alargamiento a la rotura es casi la mitad (6,2% frente al 12%).

Dejar la pieza al sol también induce el curado. La exposición prolongada a la luz ultravioleta tiene un efecto perjudicial en las propiedades físicas y el aspecto de una pieza SLA: pueden rizarse, volverse muy frágiles y cambiar de color. Por esta razón, se recomienda encarecidamente aplicar una pintura acrílica UV transparente antes de su uso.

Materiales comunes de SLA

Los materiales SLA vienen en forma de resina líquida. El precio por litro de la resina varía enormemente, desde unos 50 dólares para el material estándar, hasta 400 dólares para los materiales especiales, como el moldeable o la resina dental. Los sistemas industriales ofrecen una gama más amplia de materiales que las impresoras SLA de sobremesa, lo que permite al diseñador controlar mejor las propiedades mecánicas de la pieza impresa.

Los materiales SLA (termoestables) son más frágiles que los materiales producidos con FDM o SLS (termoplásticos) y por esta razón, las piezas SLA no suelen utilizarse para prototipos funcionales que soporten cargas significativas. Los avances en materiales pueden cambiar esto en un futuro cercano.

Post procesado

Las piezas SLA pueden ser terminadas a un nivel muy alto utilizando varios métodos de postprocesamiento, como el lijado y pulido, el recubrimiento por aspersión y el acabado con un aceite mineral. Un extenso artículo sobre el postprocesamiento de piezas SLA se puede encontrar aquí.

Beneficios y limitaciones del SLA

A continuación se resumen las principales ventajas y desventajas de esta tecnología:

SLA puede producir piezas con una precisión dimensional muy alta y con detalles muy complejos.
Las piezas SLA tienen un acabado superficial muy liso, lo que las hace ideales para prototipos visuales.
Están disponibles materiales especiales SLA, tales como resinas transparentes, flexibles y fundibles.

Las piezas SLA son generalmente frágiles y no son adecuadas para prototipos funcionales.
Las propiedades mecánicas y el aspecto visual de las piezas SLA se degradan con el paso del tiempo cuando las piezas están expuestas a la luz solar.
Siempre se requieren estructuras de soporte y es necesario un post-procesamiento para eliminar las marcas visuales que quedan en la parte SLA.

Reglas generales

  • SLA es el más adecuado para producir prototipos visuales con una superficie muy lisa y detalles muy finos a partir de una gama de materiales termoendurecibles.
  • El SLA de sobremesa es ideal para fabricar piezas pequeñas («más pequeñas que un puño») moldeadas por inyección a un precio asequible.
  • Las máquinas industriales SLA pueden producir piezas muy grandes (hasta 1500 x 750 x 500 mm).