Confronto tra la velocità di stampa delle stampanti 3D FDM, SLA e SLA

Il termine "stereolitografia" è utilizzato per descrivere diversi processi di stampa 3D a resina che prevedono l'utilizzo della luce per polimerizzare la resina liquida, nella maggior parte dei casi attraverso un serbatoio con il fondo trasparente, e in cui le parti vengono stampate strato dopo strato capovolte su una piattaforma di stampa che viene immersa nel serbatoio. Tra questi processi ci sono la stereolitografia (SLA) basata su laser, l'elaborazione digitale della luce (DLP) e la stereolitografia mascherata (MSLA), comunemente chiamata anche "stampa 3D LCD".

Le velocità di stampa variano in base ai diversi processi di stampa 3D a resina, dei quali i più rapidi sono le tecnologie MSLA e DLP. L'ultima generazione di stampanti 3D MSLA, come la Form 4 e la Form 4L di Formlabs, si basa sulla combinazione di un potente motore di stampa e di un sistema ottico avanzato che polimerizzano ogni strato quasi istantaneamente.

• La velocità delle stampanti SLA può essere simile sia per una parte che per una piattaforma di stampa completa. Se nelle stampanti SLA a laser quest'ultimo deve percorrere una vasta area per polimerizzare la resina, in quelle MSLA e DLP la polimerizzazione di ogni strato è pressoché istantanea. Dal momento che gli strati vengono polimerizzati tutti insieme, non c'è quasi nessuna differenza di velocità tra la stampa di molte parti e quella di una sola parte, pertanto è possibile ottenere un rendimento più elevato.
• La velocità delle stampanti SLA dipende dai componenti della stampante. La qualità e le prestazioni del motore di stampa e del sistema ottico determinano la quantità di luce che raggiunge il serbatoio e hanno un impatto diretto sui tempi di stampa. Inoltre, esistono altri fattori 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.
• Le parti realizzate con la stampa 3D SLA richiedono la post-elaborazione, che può essere in gran parte automatizzata. Dopo la stampa, le parti devono essere lavate con alcool o etere per rimuovere la resina in eccesso e alcune parti devono anche essere sottoposte a polimerizzazione post-stampa per raggiungere le proprietà ottimali del materiale. Questi due passaggi possono essere automatizzati con soluzioni avanzate di post-elaborazione.

La Form 4 e la Form 4L sono state progettate per stampare a una velocità di 100 mm all'ora con materiali appositamente sviluppati, come la Fast Model Resin. La maggior parte delle stampe realizzate con la Form 4 viene completata in meno di due ore qualunque sia il materiale, il che consente di eseguire più iterazioni di design al giorno. Con la Form 4L, la stampa richiede in genere meno di sei ore. Anche nel caso di parti che raggiungono l'altezza massima della stampante o di cicli di produzione a volumi elevati, con parti che occupano l'intera piattaforma di stampa, il processo può essere completato in meno di un giorno e rende possibili le iterazioni in giornata.

Tutti i processi di stampa 3D sono diventati più veloci nel corso del tempo, ma nessuno è in grado di eguagliare i progressi della stampa a resina. Nel tempo, questa velocità offre vantaggi straordinari in termini di rendimento. La velocità della Form 4 e della Form 4L è simile a quella delle tecnologie ad alto rendimento, come lo stampaggio a iniezione. La stampa di intere camere di stampa nel corso di poche ore, più volte al giorno, può eguagliare il rendimento di un apparecchio per lo stampaggio a iniezione con volumi medi, ma senza l'elevato costo iniziale delle attrezzature.

Le stampanti 3D SLS sono più veloci delle stampanti 3D FDM perché i loro laser ad alta potenza possono essere diretti su ogni strato di polvere e spostati più rapidamente di quanto un ugello di estrusione possa muoversi sopra un letto di stampa FDM. Tuttavia, il laser è comunque più lento della fonte luminosa impiegata nelle tecnologie di stampa 3D a resina MSLA o DLP. 

I processi di stampa 3D SLS devono anche tenere conto del tempo di raffreddamento della camera di stampa, sebbene tale variabile non rientri tecnicamente nel parametro della velocità di stampa. Dal momento che il laser sinterizza la polvere a una temperatura molto elevata, è necessario lasciar raffreddare la camera di stampa prima della post-elaborazione, il che può comportare un aumento del tempo di realizzazione complessivo delle parti.

Tuttavia, il tempo totale di stampa e lavorazione delle parti SLS non è generalmente un problema per la produzione. Sebbene la velocità di stampa delle singole parti possa essere superiore a quella di altre tecnologie, le stampanti 3D SLS hanno un rendimento complessivo eccezionale grazie al volume di stampa più grande e al letto di stampa autoportante che consente di "nidificare" le parti, in modo che sia possibile riempire completamente la camera di stampa e raggiungere i volumi di produzione richiesti anche con una sola stampante.

Ad esempio, un progetto realizzato con camera di stampa piena sulla Fuse 1+ 30W può essere portato a termine durante i "tempi morti" notturni e poi lasciato raffreddare fuori dalla stampante di giorno, consentendo la produzione di parti in giornata senza interruzioni.

• La velocità delle stampanti 3D SLS dipende dalle dimensioni della parte. Le parti più grandi lungo gli assi X/Y richiedono più tempo per essere stampate, poiché il laser deve tracciare un'area più estesa. Ottimizzando il percorso del laser sulla Fuse 1+ 30W, Formlabs è riuscita a ridurre i tempi di stampa fino al 25%.
• La velocità delle stampanti SLS dipende dai componenti della stampante. La velocità di stampa dipende molto dalla potenza del laser. Ad esempio, la Fuse 1+ 30W utilizza un potente laser da 30 W che consente di ottenere un rendimento elevato. Un normale lavoro di stampa richiede appena sette ore, mentre il 95% dei progetti realizzati con camera di stampa piena viene completato in meno di 14 ore.
• Le parti realizzate con la stampa 3D SLS richiedono la post-elaborazione, ma il processo è molto efficiente. La post-elaborazione può essere piuttosto breve, poiché molti passaggi possono essere automatizzati con apparecchi come la Fuse Sift e la Fuse Blast e non vi sono supporti da rimuovere, il che consente all'utente di passare dalla stampa alla finitura professionale delle parti in soli 15 minuti.

Sebbene la stampa 3D SLS non sia la scelta ideale per produrre una singola parte il più velocemente possibile, la combinazione di costo ridotto per parte, produttività elevata, post-elaborazione efficiente e affidabilità dei materiali rende la SLS una scelta frequente delle aziende produttrici, oltre che un'alternativa economica allo stampaggio a iniezione per la produzione ponte o in volumi ridotti.

Tutte le tecnologie di stampa 3D producono le parti a strati, quindi quanto più grande è la stampa lungo l'asse Z, tanto più tempo occorrerà per produrla.

Tuttavia, la stampa di parti di dimensioni maggiori o di più parti lungo gli assi X e Y non fa aumentare necessariamente i tempi. I processi di stampa 3D che polimerizzano interi strati in una sola volta (MSLA, DLP) consentono di realizzare parti di grandi dimensioni e piattaforme di stampa complete più velocemente rispetto alle tecnologie in cui l'ugello deve percorrere distanze maggiori (FDM) o tracciare le parti singolarmente (SLA basata su laser, SLS).

Per capire come misurare la risoluzione nella stampa 3D in un'ampia gamma di tecnologie, è necessario analizzare una parte stampata su tre assi: Z (verticale) e X/Y (orizzontale). La risoluzione dell'asse Z è fortemente influenzata dallo spessore dello strato, mentre la risoluzione X/Y dipende da diversi fattori a seconda della tecnologia di stampa 3D utilizzata.

Lo spessore dello strato (risoluzione dell'asse Z) incide sulla velocità di tutti i tipi di stampanti 3D. Se la stampa presenta strati più spessi, sarà necessario stampare un numero inferiore di strati, con una conseguente riduzione del tempo di stampa complessivo.

Le stampanti 3D FDM rappresentano un compromesso significativo tra tempo di stampa e risoluzione. Strati più spessi richiederanno la stampa di un numero inferiore di strati, il che riduce il tempo di stampa complessivo, ma produrranno anche linee degli strati più visibili e una finitura superficiale meno liscia.

Alcune stampanti FDM consentono di aumentare la velocità con cui l'estrusore deposita il filamento o si muove sull'area di stampa. Inoltre, è possibile installare ugelli più grandi che consentono di depositare una quantità maggiore di materiale più velocemente, ma con una risoluzione X/Y/Z inferiore. Tuttavia, ognuna di queste opzioni comporta accuratezza e risoluzione minori, una peggiore finitura superficiale e altri inconvenienti.

Le stampanti 3D SLA offrono una risoluzione elevata indipendentemente dallo spessore dello strato. Le stampanti a resina sono in grado di indirizzare la luce in modo estremamente preciso verso la resina liquida, producendo parti con una finitura superficiale superiore anche se si stampano strati più spessi. Sebbene le linee degli strati possano risultare leggermente più visibili sulle superfici curve, per la maggioranza delle parti non c'è quasi nessuna differenza visibile tra una parte stampata a 50 micron o a 100 micron che giustifichi un tempo di stampa raddoppiato. La risoluzione X/Y varia a seconda della risoluzione del proiettore o dello schermo LCD o delle dimensioni del punto laser e della precisione con cui può essere controllato, parametri che dipendono dalle specifiche hardware e che sono generalmente superiori a tutti gli altri processi (fino a 50 micron).

Come per la SLA, la risoluzione non costituisce un problema per le stampanti 3D SLS. Il laser utilizzato nelle stampanti 3D SLS è in grado di fondere con precisione le particelle e le parti stampate non presentano generalmente linee degli strati visibili. La maggior parte delle stampanti SLS non consente nemmeno di modificare la risoluzione: la risoluzione Z non è regolabile, mentre la risoluzione X/Y è definita dalle specifiche hardware.

La scelta del materiale può avere un effetto misurabile sul tempo di stampa complessivo. Tutte le stampanti 3D FDM, SLA e SLS stampano polimeri, ma i processi di riscaldamento/estrusione, polimerizzazione e sinterizzazione sono molto diversi.

Nelle stampanti 3D FDM, il tipo di filamento può fare una grande differenza in termini di velocità di stampa 3D. In generale, materiali semplici da stampare, come PLA e PETG, sono i filamenti più veloci. La velocità di stampa per materiali ingegneristici come ABS e nylon è leggermente inferiore. Tuttavia, i materiali flessibili come il TPU devono essere stampati molto più lentamente per garantire tassi di riuscita della stampa più elevati.

Quando si stampa con una stampante 3D FDM, è sempre una buona idea partire con un'impostazione più lenta per garantire che i primi strati aderiscano correttamente al letto di stampa e tra loro prima di aumentare la velocità. Inoltre, una velocità di stampa più elevata può compromettere la buona riuscita delle stampe e ridurne la qualità: imparare a ottimizzare la qualità su una stampante 3D FDM veloce presuppone una serie di prove ed errori.

Nella stampa 3D SLA, l'opacità delle resine e la concentrazione di fotocatalizzatori e altri agenti di polimerizzazione aggiunti dall'azienda produttrice della resina possono influire sulla velocità di stampa. 

Ad esempio, la Fast Model Resin, la resina più veloce di Formlabs, ha una maggiore concentrazione di fotocatalizzatori ed è in grado di stampare a una velocità che supera i 100 mm all'ora con la Form 4. Ciò consente di stampare modelli più piccoli in pochi minuti e una piattaforma di stampa completa in meno di due ore.

In generale, le resine trasparenti hanno una velocità di stampa leggermente superiore perché hanno una capacità di polimerizzazione maggiore, cioè la sorgente luminosa deve dedicare meno tempo alla polimerizzazione di ogni strato. Inoltre, le resine ad alta viscosità, come le resine rinforzate con vetro o quelle utilizzate in odontoiatria per le protesi dentali, hanno una velocità di stampa inferiore a quelle a bassa viscosità. Analogamente alla FDM, anche i materiali flessibili hanno una velocità di stampa inferiore a quella dei materiali rigidi.

Il nylon 12 è il materiale più utilizzato nelle stampanti 3D SLS e generalmente è anche il più veloce, ma tutti gli altri materiali offrono velocità di stampa analoghe, anche quelli flessibili.

Sebbene la percezione generale sia che la stampa 3D sia priva di complessità se paragonata ai processi tradizionali come la lavorazione meccanica o lo stampaggio a iniezione, quando si parla di velocità di stampa la situazione è diversa.

La complessità dei modelli ha un minimo effetto negativo sui tempi di stampa delle stampanti 3D FDM, SLA basata su laser e SLS. Il motivo è simile a quello per cui le dimensioni delle parti sugli assi X/Y influiscono maggiormente sulla velocità di stampa di alcune stampanti rispetto ad altre: questi apparecchi devono disegnare o tracciare la geometria della parte per ogni strato, operazione che richiede più tempo nel caso di forme più complesse. Tuttavia, dal momento che le stampanti MSLA e DLP polimerizzano un intero strato in una sola volta, non è detto che a parti più complesse corrisponda una velocità inferiore. 

L'altro aspetto, generalmente più importante, di cui tenere conto è quello delle strutture di supporto. Sia nella stampa FDM che in quella SLA, le strutture di supporto sono spesso necessarie per stampare correttamente parti più complesse, come quelle con molte sporgenze. Dopo il completamento di un lavoro di stampa, è necessario rimuovere le strutture di supporto e levigare eventuali irregolarità della parte finita.

_{Le stampanti 3D SLA di Formlabs utilizzano supporti leggerissimi e facili da rimuovere che permettono di ridurre la post-elaborazione.}

Le strutture di supporto non solo allungano i tempi di post-elaborazione e consumano materiale prezioso, ma possono anche rallentare il processo di stampa, soprattutto nelle stampanti 3D FDM e SLA a singolo laser.

La stampa 3D SLS non richiede l'uso di supporti perché la polvere non sinterizzata mantiene la struttura stampata in posizione. Di conseguenza, i lavori di stampa SLS non comportano alcuno spreco di polvere o di tempo per la creazione di supporti.