Nell'ultimo decennio, i progressi tecnologici hanno reso la stampa 3D a resina, nota anche come fotopolimerizzazione in vasca, uno dei metodi principali per la produzione di parti molto dettagliate per prototipazione rapida, creazione rapida di attrezzature, supporti di produzione e parti per utilizzo finale, grazie all'elevata accuratezza, alla velocità di stampa, all'ampia gamma di materiali e alle proprietà meccaniche isotropiche.
Con l'introduzione di innovazioni riguardanti hardware, software e scienza dei materiali da parte delle aziende produttrici di stampanti 3D a resina, si sono moltiplicati i processi di stampa con questo materiale.
Per molti anni, le due principali tecnologie di stampa 3D a resina sono state la stereolitografia (SLA) e l'elaborazione digitale della luce (DLP). Negli ultimi tempi sono stati introdotti e perfezionati sottotipi di queste tecnologie, tra cui la stampa 3D con tecnologia a display a cristalli liquidi (LCD) e la stereolitografia mascherata (MSLA).
Se in passato tutte queste tecnologie erano complesse e costose, oggi le stampanti 3D a resina desktop compatte e da banco consentono di produrre parti di qualità industriale con eccellenti proprietà meccaniche ed estetiche a un prezzo accessibile.
Questa guida illustra dettagli e vantaggi di tutti i tipi di stampa 3D a resina, oltre a presentarne costi e applicazioni in cui ciascun tipo può garantire le prestazioni migliori.
Guida alla stampa 3D stereolitografica (SLA)
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Che cos'è la stampa 3D SLA?
Le stampanti SLA tradizionali erano costituite da grandi vasche contenenti resina liquida, in cui lo strato superiore veniva polimerizzato selettivamente dal laser posizionato in alto. Questi sistemi erano ingombranti, costosi e richiedevano un'infrastruttura complessa, per cui erano accessibili solo ad aziende come quelle incluse nella lista Fortune 500.
Nel 2011, con la sua Form 1, Formlabs ha introdotto la stampa 3D stereolitografica invertita, un processo in cui una fonte di luce (un laser, nel caso della Form 1) polimerizza la sezione trasversale della parte dal fondo trasparente di un serbatoio resina; ciò significa che deve essere erogato solo un sottile strato di resina, polimerizzabile in qualsiasi momento. Questa tecnologia consente di fabbricare parti in resina utilizzando una stampante molto più piccola, collocabile su una scrivania.
Rappresentazione grafica del motore di stampa Low Force Stereolithography (LFS)™ di Formlabs, forma avanzata di stampa 3D SLA.
Con l'introduzione della Form 2 nel 2015 e il successivo lancio di una più ampia gamma di materiali, la stampa 3D SLA è diventata molto più affidabile e utile in ambito professionale per diverse applicazioni.
Nel 2019, Formlabs ha introdotto la Low Force Stereolithography (LFS)™ alla base delle stampanti 3D SLA Form 3 e Form 3L, dotate di un serbatoio resina dal fondo flessibile che consente di staccare la parte polimerizzata, riducendo drasticamente le forze esercitate sulle parti durante il processo di stampa.
Questa forma avanzata di stereolitografia offre una finitura superficiale e un'accuratezza delle stampe notevolmente migliorate. La riduzione delle forze di stampa ha anche consentito di utilizzare strutture di supporto leggerissime e facili da rimuovere, ha permesso di aumentare il volume di stampa e ha aperto la strada a una vasta gamma di possibilità per materiali avanzati, pronti per il processo produttivo.
Che cos'è la stampa 3D DLP?
L'elaborazione digitale della luce (DLP) è un processo di stampa 3D a resina che utilizza un proiettore di luce anziché un laser per polimerizzare la resina liquida uno strato alla volta.
La luce viene proiettata mediante una serie di dispositivi a microspecchio, disposti in una matrice su un chip semiconduttore. Ognuno di questi dispositivi a microspecchio rappresenta un voxel (o pixel 3D) della parte. Il numero di dispositivi a microspecchio e le dimensioni dell'area di stampa determinano la risoluzione della parte.
Rappresentazione grafica della stampa 3D con elaborazione digitale della luce (DLP).
Dal momento che la luce viene proiettata istantaneamente sull'intera sezione della parte, ogni strato si polimerizza molto rapidamente. Di conseguenza, le stampanti 3D DLP sono in genere più rapide.
Così come la stampa 3D SLA invertita ha permesso la creazione di apparecchi desktop, superando le stampanti tradizionali di grandi dimensioni con funzionamento dall'alto verso il basso, le stampanti DLP invertite sono diventate più accessibili e convenienti grazie alle unità desktop più compatte.
Che cos'è la stampa 3D MSLA o LCD?
La stereolitografia mascherata (MSLA) è una tecnologia di stampa 3D che consiste in un processo di fotopolimerizzazione in cui la fonte di luce viene coperta (mascherata) selettivamente. È spesso usata in modo intercambiabile con la stampa 3D LCD, perché le stampanti MSLA utilizzano generalmente schermi LCD per mascherare la luce e polimerizzare solo la sezione trasversale desiderata della parte. Tuttavia, "MSLA" può riferirsi anche ad altre tecnologie, perché indica la stampa 3D a resina mascherata, indipendentemente dal tipo di fonte di luce o dalla tecnica di mascheratura.
Rappresentazione grafica del motore di stampa Low Force Display (LFD)™ di Formlabs, forma avanzata di stampa 3D MSLA.
Gli schermi LCD sono stati introdotti nella stampa 3D a resina dopo lo sviluppo della stampa 3D SLA e DLP basata su laser, grazie al rapido sviluppo delle tecnologie dei display determinato dalla loro diffusione in altri tipi di dispositivi elettronici. Ultimamente è diventato possibile progettare schermi LCD con pixel di piccole dimensioni e una trasmissione elevata della luce a 405 nm, la lunghezza d'onda tipicamente utilizzata per polimerizzare la resina liquida.
Dal momento che i LED proiettano la luce nello stesso momento, le stampanti 3D MSLA polimerizzano ogni strato di resina quasi istantaneamente offrendo velocità di stampa paragonabili a quelle delle stampanti 3D DLP.
Quanto più denso è lo schermo LCD, tanto più piccoli sono i pixel e tanto maggiore sarà la risoluzione della parte. Tuttavia, una minore dimensione dei pixel comporta uno svantaggio. Se la densità dei pixel è maggiore (pixel più piccoli), la trasmissione della luce è minore, con conseguente riduzione della potenza ottica erogata sulla resina liquida e della velocità di stampa.
Il motore di stampa Low Force Display (LFD)™ di Formlabs è una forma avanzata di stampa 3D MSLA, sviluppata per la Form 4 e la Form 4L. La LFD è basata su una tecnologia completamente nuova, che comprende unità retroilluminata, unità di elaborazione della luce, film di rilascio e videocamera integrata. Inoltre, notevoli miglioramenti sono stati apportati a serbatoio con film di rivestimento flessibile, cartuccia di resina, gestione automatica della resina e sistemi di controllo intelligenti, che permettono di avere in una sola stampante velocità, affidabilità e qualità delle parti di cui professioniste e professionisti hanno bisogno.
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Confronto tra i processi di stampa 3D SLA, DLP e MSLA/LCD
Le stampanti 3D SLA e DLP basate su laser e quelle MSLA/LCD si basano tutte su processi di stereolitografia, in quanto utilizzano una fonte di luce per polimerizzare la resina liquida. Alcune delle differenze tra le diverse tecnologie di stampa 3D a resina sono dovute ad accuratezza, risoluzione, qualità e resistenza della fonte di luce, soluzione di elaborazione della luce e altre tecnologie collegate. Altri aspetti, come workflow o applicazioni, variano a seconda delle diverse aziende produttrici, in base a software, accessori e materiali disponibili per ciascun sistema.
Risoluzione
La risoluzione nella stampa 3D può essere difficile da classificare e standardizzare tra apparecchi e aziende produttrici diverse. Qualità e accuratezza delle stampe dipendono da molti fattori, tra cui dimensione, forma e distribuzione della luce polimerizzante e dalle proprietà di diffusione, dispersione e polimerizzazione della resina. Ad esempio, alcune resine disperdono la luce più di altre, causando la polimerizzazione di una quantità maggiore di resina e creando particolari meno definiti in una stampa.
Il termine "risoluzione", un tempo indicato come "punti per pollice" o DPI nelle stampanti a getto di inchiostro, si riferisce alla copertura degli assi X e Y da parte dell'inchiostro. La diffusione della stampa 3D ha comportato l'aggiunta dell'asse Z, che ha complicato ulteriormente la definizione e gli standard di misurazione della risoluzione della stampa 3D.
Per stabilire quale tecnologia e azienda produttrice offrono la risoluzione più elevata, è necessario tenere conto della capacità di tracciare specificamente una parte sui piani XY e dello spessore minimo dello strato sull'asse Z. Tuttavia, la capacità di tracciare specificamente il modello desiderato dipende da diversi fattori.
Le stampanti 3D a resina hanno una risoluzione eccellente, di gran lunga superiore a quella di altri processi di stampa 3D come la modellazione a deposizione fusa (FDM). Nel caso di applicazioni come la prototipazione rapida o lo stampaggio, la risoluzione è determinante per il successo del prodotto finale o della revisione dei design.
La risoluzione delle stampanti 3D SLA basate su laser è determinata da quattro fattori: dimensione e distribuzione della potenza del punto laser, precisione con cui i galvanometri posizionano la luce sul piano XY e spessore minimo dello strato sull'asse Z.
A prima vista, la dimensione del punto laser sembra indicare le dimensioni minime dei dettagli, ma non è così. È vero che, se una parte è costituita da un singolo punto rotondo o una sfera, le dimensioni minime dei dettagli sono determinate dalla dimensione del punto laser, perché quest'ultimo non è in grado di polimerizzare un elemento di dimensioni inferiori a se stesso. Tuttavia, non è realistico che venga stampato un punto o una parte sferica di dimensioni ridotte. Nel caso di parti reali, il laser può tracciare forme e dettagli più piccoli della dimensione del punto laser: può spostarsi nel piano XY con incrementi inferiori a tale dimensione, tracciando anche l'esterno di un elemento molto piccolo.
Ad esempio, la Form 3+ ha un punto laser di 85 micron, ma una risoluzione XY di 25 micron. La risoluzione XY indica la precisione con cui la stampante è in grado di lavorare sul piano XY (orizzontale).
La risoluzione delle stampanti 3D DLP è determinata da dimensione dei pixel (su entrambi gli assi X e Y), potenza e uniformità della luce, utilizzo dell'antialiasing e spessore minimo dello strato sull'asse Z, analogamente alle stampanti SLA basate su laser.
La risoluzione è inversamente proporzionale alla dimensione dei pixel, come avviene per le tecnologie più conosciute, come i televisori o i dispositivi elettronici portatili. Nella stampa 3D DLP, la risoluzione XY è determinata dalla dimensione del pixel, il particolare più piccolo che il proiettore può riprodurre su un singolo strato. Questo dipende dalla risoluzione del proiettore, la più comune è full HD (1080p), e dalla sua distanza dalla finestra ottica. Di conseguenza, la maggior parte delle stampanti 3D DLP desktop ha una risoluzione XY fissa, generalmente compresa tra 35 e 100 micron.
La risoluzione delle stampanti 3D DLP diminuisce con il crescere del volume di stampa, perché non sono disponibili proiettori con un numero di pixel significativamente maggiore. Pertanto, le aziende produttrici devono aumentare la distanza dalla fonte di luce a parità di numero di pixel, con conseguente diminuzione della risoluzione e della qualità di stampa.
La risoluzione delle stampanti 3D MSLA è determinata da dimensione dei pixel del display LCD, collimazione e uniformità della fonte di luce, utilizzo dell'antialiasing e spessore minimo dello strato sull'asse Z.
Come per le stampanti 3D DLP, la risoluzione è inversamente proporzionale alla dimensione dei pixel. Tuttavia, la dimensione dei pixel è solo uno dei fattori. Le stampanti MSLA hanno bisogno di una luce estremamente collimata (in altre parole, i raggi sono paralleli) che non si diffonda quando attraversa un pixel dello schermo LCD. Inoltre, la luce deve essere particolarmente uniforme, in modo che la resina venga polimerizzata alla stessa potenza ottica attraverso ogni pixel dello schermo LCD.
Per fortuna, lo spessore minimo dello strato sull'asse Z è un aspetto meno complesso: la maggior parte delle stampanti 3D a resina ha uno spessore dello strato compreso tra 25 e 200 micron. Nel caso delle stampanti 3D a resina invertite, lo spessore dello strato è determinato dalla profondità verticale della resina che si trova tra la piattaforma di stampa e il fondo del serbatoio, di fatto lo spessore della resina polimerizzata in ogni strato.
Per riassumere: la risoluzione è davvero importante nella stampa 3D a resina? Sì, ma di per sé è spesso un parametro irrilevante. Offre qualche indicazione, ma non è necessariamente correlata direttamente con accuratezza, precisione e qualità di stampa. Inoltre, una risoluzione più elevata (pixel o punto laser ridotti nella dimensione XY e strati ridotti nella dimensione Z) comporta in genere compromessi significativi in termini di velocità o affidabilità, poiché un maggior numero di strati può aumentare il margine di errore.
Per scoprire alcuni esempi concreti, leggi il nostro studio che valuta le prestazioni di stampanti SLA e MSLA con risoluzioni differenti in termini di finitura superficiale, accuratezza dimensionale e dimensioni minime dei dettagli.
Accuratezza e precisione dimensionale
La stampa 3D è un processo additivo, pertanto ogni strato potrebbe introdurre un'inaccuratezza dimensionale. Deviazioni minime dalla forma prevista per la sezione trasversale possono accumularsi strato dopo strato fino a influenzare negativamente l'accuratezza complessiva. L'accuratezza dipende da molti fattori: tipo di processo di stampa 3D, design dell'hardware, proprietà della resina, impostazioni di stampa e workflow di post-elaborazione. In generale, le stampanti 3D a resina sono tra gli apparecchi di stampa 3D più accurati e precisi. Le differenze in termini di accuratezza e precisione dipendono più dal modello e dall'azienda produttrice che dalla tecnologia.
Il primo fattore che influisce sull'accuratezza della stampa 3D a resina è la prestazione ottica della stampante, in particolare dimensioni, forma e uniformità della luce che polimerizza la resina. Le stampanti 3D professionali basate su laser, come la Form 3+ e la Form 3B+, utilizzano galvanometri di alta qualità e richiedono notevoli interventi di calibrazione per garantire che la luce del laser raggiunga la resina esattamente nel punto previsto e segua il percorso del laser senza deviazioni.
L'accuratezza delle stampanti 3D DLP dipende dalla risoluzione e dalla potenza del proiettore di luce e dalla qualità e calibrazione dei dispositivi a microspecchio. L'accuratezza delle stampanti DLP è spesso limitata a causa della distorsione dei pixel in corrispondenza dei bordi della parte stampata, dove i dispositivi a microspecchio devono proiettare la luce a una distanza maggiore dalla fonte di luce.
Accuratezza e precisione dimensionale sono importanti nel caso di parti stampate in 3D che devono essere incorporate in assemblaggi o devono avere particolari inserti, come questi fori per piedini in assemblaggio per un circuito stampato.
L'accuratezza delle stampanti 3D LCD e MSLA dipende dall'uniformità e dalla collimazione della fonte di luce, nonché dalla dimensione e dalla qualità dei pixel dello schermo LCD. La maggior parte delle stampanti LCD è dotata di lenti sulle fonti di luce, ma è anche molto essenziale e può generare una luce disomogenea, macchie scure o distorsioni, il che si traduce in parti inaccurate. Anche la qualità dello schermo LCD è fondamentale: maggiore la qualità, meglio lo schermo risponde alla programmazione del software che indica dove coprire la luce e dove lasciarla passare.
La Light Processing Unit 4 (LPU 4) di Formlabs include uno schermo LCD personalizzato con una dimensione dei pixel pari a 50 μm e un antialiasing preimpostato per un'eccellente accuratezza dimensionale. L'unità di retroilluminazione della Form 4 proietta un'area uniforme di luce ad altissima potenza usando 60 LED, una serie di lenti piano-convesse e un deflettore ottico per la creazione di una luce estremamente collimata e uniforme, anche a potenze elevate.
Il secondo fattore che incide sull'accuratezza è la forza esercitata sulla parte durante la stampa. Tutte le stampanti a resina invertite hanno due tipi di forze di stampa. Le forze di distacco si verificano durante il processo di distacco dei singoli strati, quando la piattaforma di stampa si solleva e lo strato polimerizzato si separa dal serbatoio resina. Le forze di compressione si verificano su ogni strato quando la piattaforma di stampa si abbassa e spinge la parte nella vasca di resina liquida. Queste forze possono causare lo spostamento e la deformazione degli strati, riducendo l'accuratezza dimensionale.
Alcune stampanti utilizzano un serbatoio resina con un film di rivestimento flessibile che si separa delicatamente dagli strati polimerizzati e riduce al minimo le forze di distacco. Ciononostante, questo tipo di serbatoio presenta due problemi principali: utilizza una pellicola che si danneggia facilmente e deve essere sostituita frequentemente; è soggetto a forze di aspirazione, laddove il film flessibile si attacca allo schermo LCD e provoca un aumento delle forze di distacco.
La Form 4 e la Form 4L sono stampanti MSLA professionali che utilizzano un serbatoio con film di rivestimento flessibile a doppio strato che riduce al minimo le forze di distacco ed è estremamente resistente ai danni. Inoltre, il film di rilascio della Form 4 e della Form 4L, una pellicola ottica proprietaria dalla struttura ruvida, garantisce un flusso d'aria tra il serbatoio resina e lo schermo LCD, impedendo che si crei l'effetto ventosa e aumentando l'accuratezza.
Il film di rilascio delle stampanti 3D MSLA Form 4 garantisce un flusso d'aria tra il serbatoio resina e lo schermo LCD, impedendo che si crei un effetto ventosa e aumentando l'accuratezza.
L'ultimo fattore determinante che influisce sull'accuratezza sono le proprietà della resina liquida all'interno della stampante. Il processo di polimerizzazione della resina liquida dipende da molte variabili, tra cui temperatura, omogeneità, dispersione, viscosità e molto altro. Lievi modifiche a una qualsiasi di queste variabili possono far polimerizzare una maggiore o minore quantità di resina, il che può causare deviazioni anche di centinaia di micrometri nelle dimensioni o nella forma degli strati polimerizzati. La maggior parte delle stampanti 3D a resina non controlla queste variabili, e questo comporta alterazioni frequenti e imprevedibili dell'accuratezza dimensionale.
La Form 4 e la Form 4L rispondono a questa problematica in diversi modi. In primo luogo, controllano la temperatura e l'omogeneità della resina liquida utilizzando elementi riscaldanti di precisione, sensori di temperatura a infrarossi e un miscelatore di resina ad alta velocità. Formlabs sviluppa e produce i propri materiali e controlla scrupolosamente la reattività, la viscosità e le proprietà di dispersione di ognuno. Inoltre, la Form 4 e la Form 4L utilizzano un software avanzato di visualizzazione per strati, calibrazioni hardware e impostazioni di stampa convalidate per compensare automaticamente le proprietà dei singoli materiali.
Come per la risoluzione, accuratezza e precisione di una stampante 3D non dipendono solo dalla tecnologia, ma anche da fattori come design dell'hardware, proprietà della resina liquida, impostazioni e calibrazioni di stampa e workflow di post-elaborazione.
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Volume di stampa
Prima dell'introduzione della stampa 3D SLA invertita, le stampanti 3D a resina avevano grandi volumi di stampa ed erano molto costose. La stampa 3D a resina invertita ha reso la tecnologia più accessibile, ma spesso questi apparecchi erano molto più piccoli e stampare volumi elevati sarebbe stato estremamente difficile a causa delle elevate forze di distacco.
La combinazione di SLA invertita, che consente di utilizzare solo la quantità di resina necessaria invece di grandi vasche, e di nuove tecnologie di distacco permette di stampare volumi più grandi senza dover spendere almeno 100 000 € per un sistema a resina tradizionale di grande formato. Le stampanti a resina di grande formato sono la soluzione ideale nei settori dei beni di consumo, del design di prodotto e della medicina e consentono di realizzare parti di dimensioni umane.
Prima di valutare quale sia il formato di stampante a resina più adatto alle proprie esigenze, bisogna tenere conto dell'applicazione. Esistono tre principali categorie di stampanti a resina basate su laser: desktop, da banco e industriali.
Le stampanti 3D a resina da banco come la Form 4L consentono di realizzare parti di dimensioni umane con l'accuratezza dimensionale, la gamma di proprietà dei materiali e la finitura superficiale della stampa 3D a resina.
I sistemi di dimensioni industriali erano molto diffusi nelle grandi aziende, che erano in grado di sostenere i costi elevati di acquisto e manutenzione, nonché l'ingombro maggiore e i requisiti di infrastruttura della stampa stereolitografica con funzionamento dall'alto verso il basso.
Le stampanti 3D desktop a resina sono nate grazie all'invenzione della stampa 3D SLA invertita. Con l'adozione di questa tecnologia da parte di un maggior numero di aziende produttrici, le stampanti più piccole con un volume di stampa cubico di circa 10-20 cm in ogni direzione sono diventate di uso comune. Ad esempio, la Form 3+ di Formlabs ha un volume di stampa di 14,5 × 14,5 × 19,3 cm, mentre quello della Form 4 è più grande del 30% (20 × 12,5 × 21 cm).
Anche le stampanti 3D a resina da banco sono nate dalla combinazione di tecnologia SLA invertita e tecniche di distacco migliorate. Le stampanti 3D da banco come la Form 4L, che ha un volume di stampa di 35,3 x 19,6 x 35 cm, sono ideali per la prototipazione rapida di beni di consumo di dimensioni umane e per la realizzazione di prodotti per utilizzo finale tramite stampa 3D diretta o grazie alla creazione rapida di attrezzature stampate in 3D.
Le stampanti 3D DLP rappresentano un compromesso tra risoluzione e volume di stampa. La risoluzione dipende dal proiettore, che definisce il numero di pixel/voxel disponibili. Se si avvicina il proiettore alla finestra ottica, i pixel diventano più piccoli e si aumenta quindi la risoluzione, ma si limita l'area di stampa disponibile. Alcune aziende produttrici utilizzano proiettori 4K o 8K, che però sono molto costosi e pertanto fanno lievitare i costi del prodotto finale.
La maggior parte delle stampanti DLP di grande formato utilizza ancora la tecnologia dall'alto verso il basso, che a differenza di quella invertita richiede la disponibilità immediata di grandi quantità di resina. Di conseguenza, le stampanti 3D DLP desktop di piccolo formato vengono generalmente ottimizzate per casi d'uso specifici. Hanno un volume di stampa ridotto e offrono una risoluzione elevata per la produzione di parti piccole e dettagliate, ad esempio gioielli, mentre altre possono produrre parti di dimensioni maggiori con una risoluzione inferiore.
Le stampanti 3D LCD utilizzano una serie di LED e uno schermo LCD di mascheratura di dimensioni simili, per cui i vantaggi in termini di accuratezza e precisione rimangono invariati all'aumentare del volume di stampa. Una stampante 3D LCD o MSLA a resina di grande formato avrà la stessa accuratezza di una versione di dimensioni inferiori, a condizione che utilizzi uno schermo LCD con pixel di pari grandezza e una fonte di luce LED con la stessa uniformità e collimazione.
A differenza delle stampanti 3D SLA basate su laser, il costo aumenta leggermente per ogni LED e centimetro quadrato di schermo LCD in più. Le stampanti a resina basate su laser possono utilizzare lo stesso laser per qualsiasi volume di stampa, perché i galvanometri sono in grado di dirigere il percorso del laser verso le zone più lontane della piattaforma nel caso di parti più grandi. Tuttavia, per garantire la velocità di stampa, molte stampanti a resina basate su laser di grande formato, come la Form 3L, prevedono una seconda unità laser, che aumenta il costo in modo analogo a quello di una serie di LED e di uno schermo LCD più grandi.
Finitura superficiale
Le stampanti 3D a resina consentono di creare parti con finiture superficiali lisce che richiedono una post-elaborazione minima per ottenere l'aspetto della plastica stampata a iniezione. La stampa 3D a resina, indipendentemente dal fatto che venga utilizzato un proiettore, una serie di LED o un laser, è in grado di polimerizzare la resina liquida garantendo una finitura superficiale nettamente migliore rispetto a quella ottenuta con l'estrusione del filamento da parte di una stampante FDM. A seconda del design, le parti realizzate con le stampanti a resina e FDM potrebbero necessitare di supporti, che possono generare punti di contatto o difetti superficiali che devono essere leggermente levigati o tagliati.
Con la Form 4L si ottiene una finitura superficiale che rende la realizzazione di prototipi di dimensioni umane più realistica. La trama di questo prototipo di volante, ad esempio, replica la copertura in tessuto per utilizzo finale che verrà integrata nel modello 3D.
Gli strati delle parti sono legati chimicamente e fisicamente tra loro sull'asse Z, pertanto è molto difficile individuare la separazione a livello verticale; ciò porta a un aspetto più liscio.
Nel caso dei materiali trasparenti, come la Clear Resin, la superficie liscia comporta anche una migliore trasparenza, il che rende questa tecnologia ideale per le parti che necessitano di traslucenza ottica o di mostrare elementi interni.
Le superfici lisce consentono di ottenere una trasparenza ottica quasi totale. Nel caso degli stampi in due parti, la trasparenza semplifica l'osservazione e la risoluzione dei problemi del processo di stampaggio all'interno della parte.
Le stampanti 3D basate su laser, come la Form 3+ e la Form 3L, sono molto apprezzate perché consentono di ottenere superfici quasi perfettamente lisce. Poiché il laser ha un punto rotondo, i bordi curvi sono davvero arrotondati e l'aspetto complessivo delle parti è molto liscio.
Anche le stampanti 3D DLP e LCD offrono solitamente finiture superficiali incredibilmente lisce e richiedono interventi di levigazione o lucidatura minimi per assumere un aspetto simile a quello delle plastiche stampate a iniezione. Tuttavia, sia le stampanti DLP che quelle LCD proiettano la luce mediante voxel o pixel rettangolari. In passato, questi voxel causavano un fenomeno visibile di "stepping" o "aliasing" sugli assi X e Y, chiamato in genere linee di voxel o pixel.
Ultimamente, le stampanti 3D DLP e LCD hanno iniziato a utilizzare proiettori ad alta risoluzione o schermi LCD con pixel molto piccoli, oltre a tecniche di antialiasing in cui alcuni pixel sono parzialmente attivati. Di conseguenza, queste stampanti offrono una finitura superficiale praticamente identica a quella prodotta dalle stampanti SLA basate su laser.
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Velocità e rendimento
Sempre più aziende scelgono la stampa 3D sia per la produzione che per l'iterazione rapida, pertanto la velocità è un fattore di primaria importanza nella scelta di una tecnologia di stampa 3D. La stampante 3D ideale è quella che produce rapidamente parti di alta qualità, senza compromettere accuratezza, affidabilità o prestazioni dei materiali. I processi FDM e SLS hanno migliorato notevolmente la velocità di stampa, ma mai quanto le stampanti 3D a resina, che sono diventate gli apparecchi più rapidi per la produzione additiva. I nuovi motori di stampa, come l'LFD, consentono di raggiungere una velocità straordinaria e di produrre le parti in poche ore o, nel caso di quelle più piccole, in pochi minuti.
Per le parti di piccole dimensioni, le stampanti a resina basate su laser hanno una velocità paragonabile a quella delle stampanti DLP e LCD: quando il laser non deve coprire una vasta area per polimerizzare la resina, è in grado di completare rapidamente ogni strato. Tuttavia, nel caso di parti medio-grandi o della produzione in lotti, le stampanti 3D basate su laser possono essere significativamente più lente di quelle DLP o MSLA.
Le stampanti DLP sono molto diffuse nei settori in cui la velocità di stampa ha un effetto sui profitti, come i laboratori odontotecnici. Tuttavia, sono più soggette a distorsioni ottiche nell'area di stampa e richiedono una calibrazione avanzata per ottenere un'accuratezza elevata. Inoltre, a parità di prestazioni, sono generalmente più costose delle stampanti 3D LCD.
La tecnologia MSLA avanzata, su cui si basano la Form 4 e la Form 4L, offre la soluzione di stampa 3D più rapida e affidabile in assoluto. Il fattore più determinante per la velocità è la polimerizzazione di tutti gli strati in una sola volta, ma ce ne sono anche altri che contribuiscono a ridurre il tempo di stampa complessivo, come il serbatoio resina con film di rivestimento flessibile a doppio strato della Form 4, il film di rilascio, il riempimento automatico della resina ad alta velocità e il riscaldamento rapido della resina.
A seconda del materiale, la Form 4 è in grado di completare la stampa di una piattaforma di stampa completa in un arco di tempo compreso tra due e cinque ore. Il rendimento raggiungibile con una flotta di stampanti 3D economiche, veloci e facili da utilizzare come la Form 4 è paragonabile a quello di processi tradizionali come lo stampaggio a iniezione.
La qualità e l'affidabilità dei componenti sono fattori importanti da tenere in considerazione nella scelta delle stampanti MSLA per la produzione. È noto che le stampanti LCD abbiano una vita utile piuttosto breve, in quanto gli schermi LCD generici non sono adatti alle condizioni tipiche delle stampanti 3D. La Light Processing Unit della Form 4 e della Form 4L di Formlabs ha una vita utile di 600 000-1 900 000 strati e può essere sostituita facilmente e a basso costo.
Le stampanti 3D desktop a resina consentono di incrementare facilmente il rendimento. Le loro dimensioni contenute permettono di aggiungere altre unità e di aumentare la produzione di parti. Inoltre, è possibile integrare l'automazione per alcune unità. Formlabs offre strumenti di workflow avanzati, come Form Auto per le stampanti a resina Form 3/B/+, che automatizzano la rimozione delle parti garantendo una stampa senza interruzioni. Gli strumenti di automazione come l'ecosistema di automazione di Formlabs riducono il numero di passaggi del processo di stampa, semplificando i workflow che prevedono la realizzazione di molti elementi simili di dimensioni ridotte (come i modelli dentali o ortodontici) che devono essere stampati a ritmo costante.
Confronto delle velocità di stampa: controller per videogiochi
| Stampa 3D FDM | Stampa 3D SLA | Stampa 3D SLS | |
|---|---|---|---|
| 1 assemblaggio (3 parti) | 10 ore e 32 minuti | 2 ore e 36 minuti | 3 ore e 52 minuti di stampa (6 ore e 52 minuti di raffreddamento) |
| 5 assemblaggi (15 parti) | 52 ore e 40 minuti | 13 ore | 9 ore e 38 minuti di stampa (13 ore e 47 minuti di raffreddamento) |
Stampanti e parametri di stampa a confronto:
- Stampante 3D FDM: Bambu Lab X1, PLA base, spessore dello strato di 120 micron, densità di riempimento del 15%
- Stampante 3D SLA: Form 4, Grey Resin, spessore dello strato di 100 micron
- Stampante 3D SLS: Fuse 1+ 30W, Nylon 12 Powder, spessore dello strato di 110 micron
Confronto delle velocità di stampa: connettore elettrico
| Stampa 3D FDM | Stampa 3D SLA | Stampa 3D SLS | |
|---|---|---|---|
| 1 assemblaggio (2 parti) | 2 ore e 38 minuti | 1 ora e 3 minuti | 3 ore e 30 minuti di stampa (6 ore e 27 minuti di raffreddamento) |
| 50 assemblaggi (100 parti) | 84 ore | 13 ore e 2 minuti | 12 ore e 59 minuti di stampa (13 ore e 49 minuti di raffreddamento) |
Stampanti e parametri di stampa a confronto:
- Stampante 3D FDM: Bambu Lab X1, PLA base, spessore dello strato di 120 micron, densità di riempimento del 15%
- Stampante 3D SLA: Form 4, Grey Resin, spessore dello strato di 100 micron
- Stampante 3D SLS: Fuse 1+ 30W, Nylon 12 Powder, spessore dello strato di 110 micron
Confronto della velocità di stampa: prototipo di sellino Radio Flyer
| Stampa 3D FDM | Stampa 3D SLA | |
|---|---|---|
| 1 prototipo | 42 ore e 3 minuti | 2 ore e 37 minuti |
Stampanti e parametri di stampa a confronto:
- Stampante 3D FDM: Ultimaker S7, PLA, spessore dello strato 100 micron, densità di riempimento del 20%
- Stampante 3D SLA: Form 4, Fast Model Resin, spessore dello strato 200 micron
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Workflow e facilità di utilizzo
Le diverse aziende produttrici offrono varie soluzioni di workflow per rendere più semplice la stampa 3D a resina.
Alcune stampanti prevedono l'utilizzo di un software proprietario per la preparazione dei modelli 3D per la stampa, come PreForm per le stampanti 3D SLA di Formlabs, mentre altre aziende produttrici potrebbero richiedere all'utente di acquistare un software di visualizzazione per strati per orientare le parti, creare strutture di supporto, suddividere i modelli e caricare i file. Le funzionalità variano in base al software. Ad esempio, PreForm offre un'impostazione di stampa in un clic, pratici controlli manuali per ottimizzare la densità e le dimensioni dei supporti, spessore dello strato adattabile o funzioni per risparmiare materiale e tempo. Il software può essere scaricato e testato prima dell'acquisto di una stampante 3D.
Iniziare a stampare in 3D con la resina può essere molto semplice: molte stampanti 3D a resina, soprattutto quelle desktop, sono progettate per essere disimballate e avviate in pochi minuti. L'interfaccia utente e i sensori presenti nella stampante rendono semplice non solo la prima stampa, ma anche la manutenzione continua.
Alcune stampanti 3D a resina più economiche richiedono ulteriori passaggi di calibrazione per garantire che il materiale venga stampato correttamente allo spessore dello strato previsto. Questi passaggi potrebbero includere il versamento manuale della resina, la scelta delle impostazioni di stampa (senza il vantaggio di un workflow convalidato e ripetibile) e la modifica di queste ultime per garantire la riuscita della stampa.
L'esperienza utente migliorata della Form 4 include un'interfaccia touchscreen più leggibile e intuitiva.
L'interfaccia touchscreen migliorata, i sistemi di controllo intelligenti e l'erogazione automatica e veloce della resina della Form 4 e della Form 4L garantiscono un workflow fluido e semplice da impostare, che consente di concentrarsi su design e test durante la stampa delle parti. Il sistema avanzato di cartucce riempie automaticamente il serbatoio con la resina liquida, operazione che richiede meno attenzione e facilita la stampa notturna. Le impostazioni dei materiali convalidate per diversi spessori dello strato garantiscono la massima tranquillità all'utente, che può scegliere materiale e spessore dello strato sapendo che sono stati testati in modo rigoroso e che la macchina completerà la stampa correttamente.
Un altro fattore importante da considerare quando si sceglie un sistema di stampa 3D è il workflow post-stampa. Una volta completata la stampa, la parte dovrà essere lavata, potenzialmente sottoposta a polimerizzazione post-stampa e post-elaborazione, che sia semplicemente per rimuovere i supporti o eseguire un'operazione più avanzata. La minore forza di distacco della Form 4 consente di utilizzare supporti con punti di contatto molto piccoli e facili da rimuovere. Questi supporti leggerissimi accelerano la fase di post-elaborazione e semplificano il workflow.
Le aziende produttrici offrono un'ampia gamma di soluzioni; Formlabs offre un workflow completo che comprende agitazione automatica dell'alcool isopropilico nella Form Wash, impostazioni di polimerizzazione post-stampa predefinite per oltre 40 materiali nella Form Cure e i Finishing Tools, strumenti di finitura avanzati per lucidare e preparare le parti all'utilizzo.
Materiali e applicazioni
Quanto alla facilità di sostituzione dei materiali, la maggior parte delle stampanti a resina sono plug-and-play e dotate di piattaforme di stampa e serbatoi di resina facilmente intercambiabili. In modo simile a quanto accade per accuratezza e precisione, i materiali disponibili dipendono più dalle caratteristiche dell'apparecchio che dalla tecnologia utilizzata. Alcune aziende producono le proprie resine, altre non lo fanno e consentono di utilizzare materiali di terze parti o offrono sistemi aperti compatibili con molti tipi di resine.
La Flame Retardant Resin di Formlabs è un materiale specialistico con certificazione UL 94 Blue Card per la creazione di parti autoestinguenti e prive di alogeni.
La Silicone 40A Resin è un silicone vero e proprio, con proprietà meccaniche ben note ai team di ingegneria e design di prodotto.
I vantaggi dei sistemi aperti appaiono subito evidenti: l'utente ha più controllo e può scegliere il materiale che preferisce. Tuttavia, questi sistemi non prevedono la calibrazione delle impostazioni dei materiali in base una specifica stampante, per cui accuratezza, affidabilità e proprietà dei materiali spesso ne risentono. Formlabs offre sia un ampio catalogo con più di 40 resine esclusive formulate ad hoc, sia la possibilità di utilizzare materiali certificati di terze parti con Open Platform. Alcuni di questi materiali sono progettati per applicazioni specifiche ed estreme, come gli ambienti che prevedono fiamme libere, camere stagne o lo stampaggio a iniezione.
I materiali sono spesso il fattore decisivo che apre la strada a diverse applicazioni. Alcune applicazioni, come la produzione di componenti elettronici, richiedono formule specifiche e un processo di certificazione di terze parti, come le resine in grado di dissipare le scariche elettrostatiche. Altre, come i supporti di produzione, richiedono resine stabili e resistenti. Esistono resine in grado di soddisfare queste proprietà, anche se stabilità e resistenza variano a seconda dell'azienda produttrice. Quando si sceglie una stampante 3D a resina, è bene consultare sia le schede tecniche dei materiali per determinare se le resine formulate per un'applicazione specifica sono in grado di resistere all'utilizzo previsto, sia le schede dati di sicurezza per assicurarsi che le resine siano adatte all'uso.
La Rigid 10K Resin è un materiale rinforzato con vetro estremamente rigido, simile al vetro e alle termoplastiche rinforzate con fibra. È ideale per la produzione rapida di attrezzature per lo stampaggio a iniezione, lo stampaggio per soffiaggio e la termoformatura.
La BioMed Elastic 50A Resin consente di stampare in 3D parti per il settore sanitario morbide, elastiche e biocompatibili con forme complesse, come dispositivi medici su misura per i pazienti e modelli di tessuti molli.
Costo
Le stampanti 3D a resina sono sempre state più costose delle stampanti 3D FDM, ma comunque più economiche delle stampanti SLS, seppur con qualche eccezione. Negli ultimi anni, i prezzi sono diminuiti e le stampanti a resina offrono attualmente il miglior rapporto qualità/prezzo per una gamma più ampia di applicazioni.
Nella fascia di prezzo più bassa, sono disponibili le stampanti 3D LCD a basso costo, che vanno da 200 a 1000 €. Si tratta di apparecchi ideali per utenti amatoriali o principianti, ma che richiedono la calibrazione e la regolazione per ogni tipo di resina e che in genere non sono affidabili o resistenti, aspetto che spesso comporta costi più elevati in termini di manutenzione, tempi morti, parti difettose e spreco di materiale.
I costi nascosti delle stampanti 3D a resina economiche
Quando si sceglie una stampante 3D, è fondamentale capire quali sono i costi associati al sistema al fine di ottimizzare la distribuzione delle risorse e massimizzare la produttività. Questo rapporto confronta i costi e l'esperienza di utilizzo legati alle stampanti a resina a basso costo e a una stampante 3D SLA di Formlabs, dimostrando come i costi nascosti siano drasticamente diversi tra questi prodotti.
Le stampanti 3D a resina professionali utilizzano le tecnologie SLA, tra cui la SLA basata su laser, la DLP o la LCD/MSLA. I prezzi rientrano generalmente in una fascia compresa tra 2500 e 10 000 €, mentre le stampanti 3D a resina di grande formato hanno un costo che oscilla tra 5000 e 25 000 €. A incidere sul prezzo in questa fascia sono molti fattori, tra cui figurano fonti di luce più affidabili e potenti (LED, laser o proiettori), soluzioni di elaborazione della luce, qualità generale della stampa, software, accessori e piano di assistenza.
Anche i costi dei materiali variano a seconda dell'azienda produttrice. Come già accennato, molte aziende esternalizzano i materiali o utilizzano quelli di terze parti, con conseguente aumento dei costi. Come per le stampanti a resina a basso costo, l'uso di materiali più economici o che non sono stati convalidati e calibrati per una macchina specifica può avere effetti negativi sulla qualità delle parti e generare costi nascosti. Alcuni materiali a basso costo producono anche forti odori o sono prodotti con ingredienti non certificati per la manipolazione e l'uso sicuri.
I materiali di Formlabs sono convalidati per casi d'uso specifici e progettati con precisione per avere prestazioni ottimali in un'ampia gamma di ambienti e applicazioni. Formlabs ha investito tempo e manodopera nella creazione di impostazioni di stampa per ogni spessore dello strato e materiale, garantendo la sicurezza e la facilità di utilizzo delle oltre 40 resine disponibili.
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Entra nel mondo della stampa 3D a resina
La scelta tra le tecnologie SLA, DLP, LCD e MSLA basate su laser deve tenere conto dell'applicazione prevista (e di conseguenza dei materiali ideali), oltre che di altri fattori, quali velocità, accuratezza e risoluzione.
Sebbene questi processi di stampa 3D a resina abbiano alcune differenze, quelle sostanziali in termini di prestazioni della macchina sono spesso dovute alle scelte dell'azienda produttrice più che ai punti di forza e di debolezza intrinseci del processo.
In generale, la stampa 3D a resina produce parti estremamente accurate e precise, con finiture superficiali lisce, più velocemente di qualsiasi altra tecnologia. Queste parti si prestano a un'ampia gamma di applicazioni grazie alle formulazioni esclusive delle resine. Le stampanti 3D a resina professionali, come la Form 4 di Formlabs, combinano la velocità della stampa 3D a resina con la risoluzione e l'accuratezza superficiale delle stampanti 3D industriali di fascia alta e consentono di scegliere tra un'ampia gamma di materiali avanzati, offrendo le migliori proprietà di questa tecnologia.
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