Impresión 3D SLA - Cómo el tamaño de los píxeles afecta a la precisión, al tamaño de los detalles y al acabado de la superficie

La resolución de la impresión 3D es un tema del que se habla constantemente, pero que con frecuencia conduce a malentendidos. La diversidad de las tecnologías de impresión 3D y el creciente número de fabricantes han complicado todavía más la cuestión. La llegada de las impresoras 3D de estereolitografía enmascarada (MSLA), que usan una pantalla LCD para enmascarar de forma selectiva la luz y que solo se curen las regiones deseadas de la resina líquida expuesta, añade otra capa más al debate de la resolución. Las impresoras 3D MSLA se están volviendo muy populares por su capacidad de imprimir con rapidez piezas de alta calidad. 

La resolución de las pantallas LCD se suele medir mediante el número de píxeles que tienen en su eje largo. Se trata de una medida que la gente conoce, a raíz de lo común que es el uso de las pantallas digitales en teléfonos, televisores y tablets. Combinan el énfasis en el número de píxeles con un énfasis en el tamaño de cada píxel, diciendo que cuanto más pequeño sea el píxel, mayor será la resolución. 

Sin embargo, a pesar de centrarse de esta manera en el número o en el tamaño de los píxeles, lo que les importa a la mayoría de los usuarios de la impresión 3D son los resultados tangibles de dicha impresión: el acabado de la superficie, la precisión dimensional y el tamaño mínimo de los detalles. Aunque el tamaño de los píxeles es un elemento que interviene en la creación de estos resultados, dependen de diversos factores, como las propiedades de los materiales, los ajustes ópticos, la uniformidad mecánica y más. 

Al imprimir y analizar varias impresiones de la Form 4 (MSLA de escritorio, tamaño de píxeles de 50 µm, pantalla 4K de 10 pulgadas), la Form 3+ (SLA basada en láseres, con un diámetro del punto focal del láser de 85 µm), la impresora C (MSLA de escritorio, tamaño de píxeles de 28 µm, pantalla 8K de 9 pulgadas) y la impresora D (MSLA de escritorio, tamaño de píxeles de 19 x 24 µm, pantalla 12K de 9 pulgadas) demostraremos que esta medida común de la resolución no tiene un efecto directo en los resultados tangibles de las piezas impresas.

Aunque la Form 4 tiene un tamaño de píxeles mayor que el de algunos competidores, los resultados de las pruebas demuestran que obtiene un acabado de la superficie, una precisión dimensional y un tamaño mínimo de los detalles comparables, si es que no son superiores, a los de impresoras 3D MSLA con tamaños de píxeles más pequeños. Encontrar el equilibrio adecuado también permitió a nuestro equipo optimizar la Form 4 en otros parámetros que importan mucho a los clientes: una mayor velocidad, una mejor fiabilidad y una vida útil de los componentes considerablemente más larga.

El diseño de las impresoras, que incluye el tamaño de los píxeles como uno de sus componentes, afecta a tres características importantes de las piezas impresas. Estas características (el acabado de la superficie, el tamaño mínimo de los detalles y la precisión dimensional) son medibles y están normalizadas, pero al verse afectadas por una compleja combinación de procesos y componentes, son más difíciles de determinar. Que el tamaño de los píxeles sea ligeramente mayor no importa tanto como la calidad, la constancia y la uniformidad de la luz que enmascara o que deja pasar. 

Cada una de estas características puede verse afectada en gran medida por casi cualquiera de los aspectos clave del sistema, la tecnología óptica, los materiales y el proceso de impresión y sus parámetros. No es posible relacionar un único parámetro de entrada del sistema con un único parámetro del resultado, salvo como un límite. 

Por ejemplo, el tamaño de los píxeles o del punto focal de los láseres establece un límite inferior para el tamaño de los detalles salientes en el plano horizontal (es decir, no puede haber un único detalle convexo o saliente que sea más pequeño que el tamaño del píxel o del punto focal). No obstante, lo normal es que el tamaño mínimo de los detalles acabe siendo mucho mayor que su límite (a menudo, mucho mayor de 100 µm) debido a múltiples factores, como las fuerzas de separación de capa. 

Las impresoras 3D de resina tienen un láser (SLA basada en láseres), un proyector digital de luz (DLP) o una Light Processing Unit o unidad de procesamiento de luz (que en la mayoría de los casos es una pantalla LCD) que enmascara selectivamente una fuente de luz, como una matriz de leds (MSLA).

Las impresoras 3D SLA basadas en láseres suelen tener resoluciones muy altas, porque el láser se puede controlar con precisión en el plano XY y tiene un punto focal pequeño. Sin embargo, estas características son solo uno de los parámetros de entrada, ya que el tamaño mínimo real de los detalles se sigue viendo afectado por múltiples factores y por lo tanto, las mediciones son comparables a las de impresoras MSLA profesionales que no utilizan un láser. Además, las impresoras SLA basadas en láseres tienen con frecuencia tiempos de impresión más lentos, porque necesitan que el punto focal del láser trace y recorra toda la capa. 

En la impresión 3D DLP, la resolución XY se define mediante el tamaño de los píxeles, que son la unidad más pequeña que el proyector puede reproducir en una única capa. Esto depende de la resolución del proyector y de su distancia respecto a la ventana óptica. La resolución más común es full HD (1080p). Por consiguiente, la mayoría de las impresoras 3D DLP de escritorio tienen una resolución XY fija, que, por lo general, es de entre 35 y 100 micras.

La resolución de las impresoras 3D DLP disminuye a medida que crece el volumen de impresión, ya que no existen proyectores con un número significativamente mayor de píxeles. Por lo tanto, los fabricantes tienen que aumentar la distancia respecto a la fuente de luz con el mismo número de píxeles, lo que reduce la resolución y la calidad de impresión.

El acabado de la superficie, el tamaño de los detalles y la precisión se ven afectados por todas las partes de la impresora 3D y de su proceso. Parámetros de entrada como el tamaño de los píxeles pueden establecer límites inferiores teóricos que no se ven en situaciones realistas. Por ejemplo, aunque un píxel o un diámetro del punto focal del láser de 80 micras podría ser en teoría el factor limitante a la hora de curar un único detalle saliente (como el diámetro de un perno cilíndrico), las fuerzas de separación de capa tirarían de la pieza y harían que fallara, provocando que el diámetro mínimo de estos pernos fuera de unas 500 micras. 

En las impresoras 3D MSLA que usan pantallas LCD para enmascarar la luz, la imagen real proyectada sobre la resina suele ser considerablemente más grande y más difusa que el píxel original. Este efecto se conoce como "función de dispersión de punto" (PSF), es decir, el modo en que una imagen original o idealizada se emborrona por el proceso de proyección. En el caso de las impresoras MSLA, el tamaño del píxel no importa tanto como la distribución de la potencia y la forma de la luz cuando alcanza la resina. 

Al comparar la PSF de la Form 4 (con luz proyectada a través de una pantalla LCD formado por píxeles de 50 µm) con la Form 3+ (con luz que proviene de un láser con un punto focal de 80 µm) las imágenes de la PSF muestran que la luz de la Form 4 está concentrada y es directa, teniendo su mayor energía acumulada en el centro del píxel. 

A pesar de la facilidad con la que los fabricantes venden el tamaño de los píxeles como la marca definitiva de la resolución de la impresión 3D, la verdad (y su impacto real) es más compleja, 

La resolución no depende únicamente del tamaño y la forma de la luz al pasar por una pantalla LCD o emitirse desde un láser o un proyector de luz. También depende de la función de dispersión de punto de esa luz, de los procesos de impresión, de la uniformidad mecánica y de las propiedades ópticas de la resina. La resolución se debe entender como un parámetro que influyen en los resultados del acabado de la superficie, el tamaño de los detalles y la precisión dimensional. Con esta información y este punto de vista, los usuarios de la impresión 3D pueden evaluar qué impresora se ajusta mejor a sus necesidades específicas. 

Formlabs evaluó cuidadosamente las concesiones en cuanto a tamaño de los píxeles, velocidad, fiabilidad y vida útil de los componentes al crear la Light Processing Unit de la Form 4. Dado que el tamaño de los píxeles de una pantalla LCD no tiene un impacto tangible en los tres principales resultados de la resolución, tener un mayor tamaño de los píxeles no supone un sacrificio, sino una inversión en potencia y velocidad. 

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