Guida alla stampa 3D stereolitografica (SLA)

La stampa 3D SLA utilizza una fonte di luce per polimerizzare (indurire) la resina liquida contenuta in una vasca o un serbatoio e ottenere oggetti tridimensionali. La fonte di luce delle stampanti 3D SLA tradizionali con funzionamento dall'alto verso il basso era posizionata sopra la vasca di resina liquida. Nella stereolitografia invertita, introdotta per la prima volta nel 2011 dai cofondatori di Formlabs Max Lobovsky, David Cranor e Natan Linder, la fonte di luce si trova sotto la vasca di resina. La sezione trasversale viene tracciata sullo strato di resina inferiore, che viene riempito quando la piattaforma di stampa si solleva e fa passare la resina liquida sotto lo strato precedentemente polimerizzato.

L'invenzione della stereolitografia invertita è stata preceduta da diverse importanti innovazioni, tra cui il serbatoio resina con fondo trasparente (e in seguito flessibile). Questo nuovo design ha favorito lo sviluppo di stampanti 3D con tecnologia SLA invertita più grandi, perché le forze di distacco risultavano attenuate dalla superficie flessibile.

Le stampanti 3D SLA usano la luce per polimerizzare materiali termoindurenti e reattivi alla luce chiamati "resine". Quando le resine SLA vengono esposte alla luce con una determinata lunghezza d'onda, brevi catene molecolari si uniscono, polimerizzando monomeri e oligomeri in geometrie rigide o flessibili.

Nell'ultimo decennio sono stati sviluppati nuovi tipi di processi di stampa 3D a resina, che si differenziano principalmente per il tipo di fonte di luce impiegata. Tra questi 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".

Indipendentemente dalla direzione o dal tipo di fonte di luce, il workflow della stampa 3D SLA è molto semplice. Una volta terminata la stampa, occorre lavare la parte con alcool o etere per rimuovere la resina liquida in eccesso dalla superficie. Successivamente, a seconda del materiale, può essere necessario un passaggio di polimerizzazione post-stampa affinché la parte raggiunga le proprietà ottimali del materiale. Inoltre, per applicazioni specifiche o ragioni estetiche, è possibile utilizzare altri metodi di polimerizzazione post-stampa come colorazione, rivestimento o placcatura.

Il processo della stereolitografia è nato all'inizio degli anni '80, quando il ricercatore giapponese Hideo Kodama ha inventato il moderno approccio alla stereolitografia su strati, che usa la luce ultravioletta per polimerizzare polimeri fotosensibili. Il termine stereolitografia è stato coniato da Charles (Chuck) W. Hull, che ha brevettato questa tecnologia nel 1986 e ha fondato 3D Systems per commercializzarla. Hull ha descritto il metodo della creazione di oggetti 3D come "stampa" di sottili strati in successione di un materiale polimerizzabile con una luce ultravioletta. Le prime stampanti 3D SLA erano sistemi industriali di grandi dimensioni, con prezzi spesso superiori ai 100 000 € e che richiedevano infrastrutture e manutenzione complesse. 

Tuttavia, la SLA non è stata la prima tecnologia di stampa 3D a diventare popolare. Quando alla fine degli anni 2000 hanno iniziato a scadere i brevetti per diversi tipi di tecnologie di stampa 3D, l'introduzione delle stampanti 3D a modellazione a deposizione fusa (FDM) di piccolo formato ha ampliato l'accesso alla produzione additiva. Sebbene questa tecnologia conveniente basata sull'estrusione abbia dato il via alla prima ondata di consapevolezza con conseguente adozione della stampa 3D, gli apparecchi FDM non soddisfacevano la vasta gamma di esigenze professionali.

Formlabs ha commercializzato la Form 2 nel 2015 e, con il successivo lancio di una più ampia gamma di materiali, la stampa 3D SLA è diventata molto più accessibile in ambito professionale per diverse applicazioni.

Queste nuove capacità hanno ampliato l'accesso alla stampa 3D per un'ampia gamma di applicazioni personalizzate ad alta precisione in diverse discipline, tra cui ingegneria, design di prodotto, produzione, odontoiatria, gioielleria e molti altri settori.

Con l'aumento progressivo delle applicazioni, la tecnologia è diventata sempre più popolare e ampiamente accettata. Attualmente, la stereolitografia è uno dei tre processi di stampa 3D più utilizzati per le materie plastiche, insieme alla modellazione a deposizione fusa (FDM) e alla sinterizzazione laser selettiva (SLS).

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. La LFS è una forma avanzata di stereolitografia che offre una finitura superficiale e un'accuratezza delle stampe notevolmente migliorate. Le forze di stampa ridotte consentono inoltre di utilizzare strutture di supporto leggerissime che si rimuovono con facilità, semplificando la post-elaborazione. L'introduzione della LFS ha aperto la strada a una vasta gamma di possibilità per materiali avanzati, pronti per il processo produttivo, tra cui resine morbide ed elastiche come la Silicone 40A Resin e resine rinforzate con vetro come la Rigid 10K Resin.

Le successive iterazioni hanno reso gli apparecchi della serie Form le stampanti 3D professionali più diffuse al mondo, con 140 000 unità vendute e oltre 400 milioni di parti stampate fino al 2024.

Nel 2024, Formlabs ha compiuto un ulteriore passo avanti nel campo della stampa 3D a resina potente e accessibile, lanciando le stampanti Form 4 e Form 4B che utilizzano un motore di stampa MSLA di nuova generazione, chiamato Low Force Display (LFD)™.

L'accessibilità e la convenienza degli apparecchi desktop e da banco ad alta potenza hanno reso possibile lo sviluppo di nuove modalità di produzione. Le aziende possono incrementare il rendimento della stampa 3D, portare in-house la catena di fornitura e aumentare flessibilità e adattabilità nel caso di condizioni di mercato incerte. L'aggiunta di nuovi materiali consente di aprire le porte a nuove applicazioni.

Elemento centrale del motore di stampa LFD è l'unità di retroilluminazione. La fonte di luce ad altissima potenza utilizza 60 LED e lenti di collimazione per proiettare un'area luminosa uniforme. Passando attraverso la serie di lenti, la luce risulta maggiormente collimata (parallela) e più uniforme, eliminando i punti scuri o luminosi. 

Da questo punto, la luce passa attraverso la Light Processing Unit (LPU) 4, dove filtri e maschere modellano la luce per darle la forma dello strato stampato. Una volta che la luce raggiunge la resina liquida all'interno del serbatoio, l'intera area si trasforma in uno strato solido. Successivamente, la piattaforma di stampa viene sollevata rispetto alla resina e un asse Z di precisione stacca lo strato dal fondo del serbatoio.

In passato, le forze di distacco rappresentavano un ostacolo significativo nella stampa 3D SLA, poiché costringevano a sacrificare affidabilità, qualità delle parti o velocità di stampa nella scelta di un apparecchio. Con la Form 4, le forze di distacco sono ridotte al minimo in modo da fornire una stampante ottimizzata in termini di qualità, affidabilità e velocità. Sulla parte superiore della LPU 4 è collocato il film di rilascio, una pellicola ottica brevettata e dalla struttura ruvida che introduce un flusso d'aria per impedire che si crei un effetto ventosa tra il serbatoio resina e la LPU 4.

Usa un software CAD o scansiona in 3D i dati per progettare il tuo modello ed esportalo in un file 3D stampabile (formato OBJ o STL).Importa il design digitale nel software di preparazione alla stampa per specificare le impostazioni di stampa e suddividere il modello digitale in strati. Il software di preparazione alla stampa di Formlabs, PreForm, è gratuito e in grado di creare supporti e orientamenti di stampa automatizzati. 

Le persone più esperte possono progettare in modo specifico per la SLA o eseguire passaggi come la creazione di parti cave per risparmiare materiale.

Il software di preparazione alla stampa invia il progetto alla stampante, solitamente tramite Wi-Fi, Ethernet o USB.

Le stampanti con tecnologia SLA invertita utilizzano serbatoi e piattaforme di stampa rimovibili, che consentono di sostituire i materiali e di avviare una nuova stampa facilmente. Le stampanti SLA più avanzate, come quelle della serie Form di Formlabs, utilizzano anche un sistema di cartucce che riempie automaticamente il materiale durante la stampa. Questo significa che, dopo aver confermato rapidamente l'impostazione corretta, ha inizio il processo di stampa vero e proprio e l'apparecchio può lavorare senza supervisione fino alla fine del processo.

Dashboard consente inoltre di gestire in remoto stampanti, materiali e team per le stampanti 3D SLA di Formlabs.

La rimozione delle parti dalla piattaforma delle stampanti 3D SLA può avvenire con diversi metodi, la maggior parte dei quali è manuale e richiede la raschiatura. La Build Platform Flex di Formlabs facilita e velocizza la rimozione delle parti dalla piattaforma di stampa, riducendo la manodopera e migliorando la qualità delle parti evitando scheggiature o graffi. 

Dopo la rimozione dalla piattaforma di stampa, le parti hanno bisogno di essere lavate in alcool isopropilico o etere per eliminare eventuali tracce di resina non polimerizzata dalla superficie. La Form Wash e la Form Wash L di grande formato di Formlabs sono state progettate per semplificare il processo di lavaggio, poiché rimuovono facilmente la resina in eccesso e riducono la durata complessiva della post-elaborazione.

Dopo aver lavato e asciugato le parti, alcuni materiali necessitano di polimerizzazione post-stampa, un processo che consente di migliorare la resistenza e le prestazioni delle parti, affinché raggiungano le proprietà ottimali del materiale. La Form Cure e la Form Cure L di grande formato sono in grado di controllare con precisione temperatura e luce per garantire una polimerizzazione uniforme e ad alta intensità.

Infine, rimuovi i supporti dalle parti e leviga i segni lasciati dai supporti per una finitura omogenea. Le parti stampate in stereolitografia possono essere facilmente sottoposte a lavorazione meccanica, trattate con primer, verniciate e assemblate per applicazioni e finiture specifiche.

Alcune parti possono essere sottoposte a ulteriori passaggi, come levigazione, rivestimento, placcatura o sabbiatura. Questi metodi di post-elaborazione avanzata delle stampe 3D in resina consentono di ottenere diversi risultati: possono rendere le parti più adatte alle applicazioni in ambienti esterni grazie alla protezione dai raggi UV, ma anche aumentarne la resistenza meccanica mediante galvanizzazione o rivestimento con una soluzione ceramica come il Cerakote.

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. Sebbene siano stati compiuti progressi nella velocità di stampa 3D con tutte le tecnologie, la stampa 3D SLA detiene il primato del processo più veloce in assoluto.

Alcuni processi di stampa 3D a resina sono più veloci di altri; generalmente la SLA basata su laser polimerizza ogni strato più lentamente rispetto alle tecnologie DLP o MSLA (LCD), che sono in grado di polimerizzare un'intera sezione trasversale con un'unica rapida esposizione alla fonte di luce.

Formlabs ha fatto della velocità di stampa una priorità: la Form 4 è progettata per produrre parti a una velocità di 100 mm all'ora utilizzando materiali ideati appositamente come la Fast Model Resin, sebbene la maggior parte delle stampe con questo apparecchio venga completata in meno di due ore con qualsiasi materiale. Le parti alte ad altezza massima possono essere realizzate in cinque ore con la maggior parte dei materiali, consentendo ai team di design di produrre più iterazioni al giorno.

Nel tempo, questa velocità offre vantaggi straordinari in termini di rendimento. La velocità della Form 4 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 i lunghi tempi di produzione e l'elevato costo iniziale delle attrezzature.

Le resine SLA sono incredibilmente versatili e disponibili in centinaia di formulazioni. Possono essere morbide o dure, rinforzate con materiali secondari quali vetro o ceramica o dotate di proprietà meccaniche come elevata temperatura di distorsione termica o resistenza agli urti. Possono essere formulate per un'applicazione specifica, come quelle per protesi dentali, o essere simili ai materiali finali per la prototipazione, ideati per resistere a test approfonditi e offrire ottime prestazioni se sottoposte a sollecitazioni.

Molte aziende produttrici di stampanti SLA formulano e producono anche resine da utilizzare nei loro sistemi chiusi proprietari, mentre alcune offrono piattaforme aperte che permettono di usare qualsiasi resina e altre ancora consentono di usare resine di terze parti. 

Trattandosi di resine formulate specificamente per le stampanti 3D SLA, non sono del tutto paragonabili alle termoplastiche più conosciute, come il nylon o l'ABS, utilizzate nei metodi tradizionali di produzione di plastica, come lo stampaggio a iniezione. Anche se per capire quale sia la resina migliore per un'applicazione specifica può essere necessario svolgere dei test e leggere schede tecniche e manuali operativi, esiste una resina SLA per quasi tutte le applicazioni possibili: l'enorme varietà di proprietà meccaniche ed estetiche disponibili rende facile la creazione di un workflow ottimizzato ed efficiente. 

Accuratezza e precisione sono fattori fondamentali per tutti i settori, dalla produzione all'odontoiatria, e la stampa SLA è una delle soluzioni di stampa 3D più accurate attualmente sul mercato.

Il termine "accuratezza" si riferisce al grado di corrispondenza con le dimensioni del modello CAD, mentre la "precisione" indica la frequenza con cui è possibile produrre la stessa dimensione. Per quanto riguarda l'accuratezza, le stampanti 3D SLA professionali si collocano a metà strada tra quella offerta dalla lavorazione meccanica standard e da quella della lavorazione meccanica ad alta precisione. Tuttavia, l'accuratezza può variare a seconda dell'azienda produttrice della stampante e può dipendere dal tipo di fonte di luce polimerizzante, dalla qualità dei componenti e dall'ingegneria e dalla calibrazione necessarie per garantire il funzionamento di tali componenti. L'accuratezza dipende anche dal materiale: quelli rigidi sono più accurati e facili da stampare rispetto a quelli flessibili.

Ad esempio, quando si stampano in 3D modelli più grandi (particolari di 81-150 mm) sulla Form 4/B, le tolleranze dimensionali sono generalmente pari a ±0,3% (limite inferiore: ±0,15 mm) utilizzando la Grey Resin. Nel caso di parti più piccole e di applicazioni specifiche, l'accuratezza superficiale può essere ulteriormente ottimizzata: quando i modelli di protesi sono stampati in 3D con la Precision Model Resin, più del 95% della superficie stampata non si discosta di più di 50 μm dal modello digitale.

L'ambiente di stampa riscaldato e chiuso delle stampanti 3D SLA di Formlabs garantisce condizioni pressoché identiche per ogni stampa. L'accuratezza migliore è dovuta anche alla temperatura di stampa più bassa rispetto alle tecnologie basate sulle termoplastiche, che fondono le materie prime. Dal momento che la stereolitografia utilizza la luce invece del calore, il processo di stampa avviene quasi a temperatura ambiente e le parti stampate non sono soggette a dilatazione termica o contrazione.

Il motore di stampa LFD della Form 4, in particolare il display a cristalli liquidi ad alta risoluzione e le lenti di collimazione incluse nella LPU 4, crea sezioni trasversali estremamente accurate per ogni parte. Le forze di distacco ridotte date dal film di rilascio e dal serbatoio resina con film di rivestimento flessibile rendono l'accuratezza ripetibile e consentono di ottenere parti molto precise. 

Le stampanti 3D SLA sono considerate lo standard di riferimento per la creazione di parti con finiture superficiali lisce e particolari precisi. Le parti stampate in 3D in resina riescono facilmente a raggiungere un aspetto paragonabile a quello dei metodi di produzione tradizionali, come lo stampaggio a iniezione, con una post-elaborazione quasi nulla. Al contrario, le parti realizzate con la stampa 3D FDM presentano spesso linee degli strati visibili, mentre quelle realizzate con la stampa 3D SLS hanno spesso una superficie granulosa e leggermente ruvida. 

La finitura superficiale delle parti realizzate con la stampa 3D SLA permette di creare prodotti per utilizzo finale con l'aspetto e la consistenza di beni di consumo prodotti in massa. Inoltre, la stampa 3D SLA rende possibili processi secondari come la creazione rapida di attrezzature.

Le stampanti 3D SLA consentono inoltre di ottenere particolari più precisi e dimensioni minime inferiori rispetto alle stampanti 3D FDM, in maniera analoga alle stampanti 3D SLS. La luce utilizzata nelle stampanti 3D a resina può essere controllata in modo molto più preciso rispetto all'estrusore per filamenti e quindi creare particolari più piccoli o pareti più sottili. Inoltre, le fonti di luce delle stampanti SLA possono avere una potenza inferiore a quella dei laser necessari per fondere la polvere nelle stampanti 3D SLS, e quindi sono in grado di polimerizzare con maggiore precisione, creando particolari più piccoli.

Dal momento che la stampa 3D crea le parti uno strato alla volta, le stampe completate possono presentare differenze in termini di resistenza in base all'orientamento della parte relativa al processo di stampa, con proprietà diverse sugli assi X, Y e Z.

I processi di stampa 3D a estrusione come la FDM sono noti per essere anisotropici, a causa delle differenze fra uno strato e l'altro generate dal processo di stampa. L'anisotropia limita l'utilità della FDM per alcune applicazioni o richiede maggiori modifiche alla geometria della parte per compensarla.

Al contrario, le stampanti 3D SLA creano parti altamente isotropiche. Il raggiungimento dell'isotropia della parte si basa su una serie di fattori che possono essere controllati rigorosamente integrando la chimica dei materiali nel processo di stampa. Durante la stampa, i componenti della resina formano legami covalenti, ma strato dopo strato, la parte rimane in uno stato di semi-reazione definito "grezzo".

Allo stato grezzo, la resina trattiene gruppi polimerizzabili che possono formare legami fra uno strato e l'altro, conferendo isotropia e ermeticità alla parte al momento della polimerizzazione finale. A livello molecolare, non c'è differenza fra i piani X, Y o Z. Ciò genera parti con prestazioni meccaniche prevedibili, una caratteristica fondamentale per applicazioni come dime e fissaggi, parti per utilizzo finale e prototipi funzionali.

In diversi settori, come la ricerca marina, la robotica subacquea, l'ingegneria delle tecnologie sostenibili, l'industria petrolifera e del gas, nonché la difesa, sono spesso necessarie parti personalizzate ermetiche e a tenuta di gas con volumi di produzione ridotti. Sebbene alcune tecnologie di stampa 3D rappresentino una soluzione ideale, la percezione comune è che le parti realizzate mediante produzione additiva siano porose e non possano essere utilizzate in ambienti pressurizzati.

Negli ultimi anni, questa supposizione è stata ampiamente smentita. Le stampanti SLA sono in grado di creare alloggiamenti ermetici e parti completamente impermeabili. Istituzioni come la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) e l'Università del Rhode Island hanno fatto incredibili passi avanti nella ricerca marina implementando attrezzature di ricerca e test di alta qualità e a basso costo realizzate con la stampa 3D SLA.

Le resine standard per usi generici di Formlabs sono formulate per garantire velocità e uniformità nella creazione delle parti in un'ampia gamma di applicazioni e settori. Dalle parti opache in scala di grigio per i prototipi per la revisione dei design a quelle trasparenti stampate in Clear Resin per modelli e stampi trasparenti, le resine standard per usi generici sono indispensabili per la stampa 3D SLA. Le nuove resine standard per usi generici di Formlabs sviluppate per la Form 4 consentono di raggiungere nuovi livelli di velocità, proprietà meccaniche e risoluzione: la Fast Model Resin è in grado di stampare a una velocità di 100 mm all'ora, mentre la Grey Resin ha una resistenza agli urti più elevata del 30%.

Le resine ingegneristiche di Formlabs sono formulate per rispondere alle esigenze specifiche dei workflow ingegneristici e produttivi. Rendono possibili nuove applicazioni, semplificano le operazioni e agevolano i test sul campo. Si tratta di materiali concepiti per eguagliare o superare le capacità di materiali già noti nel settore, come l'ABS, il silicone o il polietere etere chetone. Questa categoria include da materiali estremamente rigidi, a materiali robusti in grado di resistere agli urti, a materiali morbidi e flessibili in grado di resistere a cicli ripetuti di piegamento e flessione. Tra i materiali specialistici esclusivi troviamo le resine elettrostaticamente sicure o ritardanti di fiamma, oltre a materiali tecnici che non erano mai stati utilizzati nella stampa 3D desktop, come ceramica e silicone.

L'ecosistema Formlabs offre un workflow semplificato e completo per il settore dell'odontoiatria, che consente di ottenere sempre parti accurate, senza bisogno di regolazioni o calibrazioni. La Form 4B e il catalogo delle resine dentali offrono soluzioni che soddisfano tutte le esigenze, sia nel caso di laboratori e studi di grandi dimensioni che utilizzano diversi tipi di apparecchi che per le attività più piccole, specializzate in applicazioni specifiche.

Le resine BioMed di Formlabs sono materiali per uso medico adatti a una vasta gamma di applicazioni per le quali prestazioni e biocompatibilità sono fondamentali. I materiali della famiglia di resine BioMed vengono sviluppati e prodotti in una struttura con certificazione ISO 13485 e sono compatibili con i comuni metodi di disinfezione e sterilizzazione.

Le resine per gioielleria di Formlabs sono progettate per riprodurre fedelmente incastonature nette, griffe definite, gambi lisci e dettagli superficiali complessi. Permettono a chiunque, dai rivenditori e designer che realizzano gioielli personalizzati alle grandi fonderie che producono su larga scala, di creare pezzi di prova per la clientela, gioielli personalizzati pronti per la fusione o master per stampi di gioielli riutilizzabili.

La stampa 3D SLA può aiutare le aziende a evitare i costi elevati e i lunghi tempi di produzione associati all'esternalizzazione o a processi più complessi come la lavorazione meccanica. Con la stampa 3D non sono necessarie attrezzature costose e lunghe implementazioni: lo stesso apparecchio può essere utilizzato per produrre rapidamente geometrie diverse.

La stampa 3D in-house può essere diversa a seconda dei diversi ambiti professionali. Molte grandi aziende, come Microsoft o Rivian, scelgono di avvalersi di fornitori di servizi interni, in cui i team di ingegneria, design e produzione richiedono le parti a un laboratorio centralizzato. Altre aziende, in particolare quelle che si occupano di design e iterazione e che hanno competenze CAD di alto livello, preferiscono un approccio decentralizzato che prevede una stampante sulla scrivania di ogni designer. Apparecchi accessibili, economici e desktop come la Form 4 rendono possibili questi tipi di workflow e offrono soluzioni agili per una forza lavoro e un contesto lavorativo in continua evoluzione. 

Che sia centralizzata o decentralizzata, la stampa 3D in-house offre al personale un maggiore controllo sui workflow e riduce i costi e le incertezze a carico dell'azienda nel suo complesso. 

A seconda del numero di parti prodotte e del volume di stampa, l'investimento in una stampante 3D di piccolo formato può essere ammortizzato in pochi mesi. Con gli apparecchi di piccolo formato, inoltre, è possibile pagare solo per la capacità produttiva necessaria per l'azienda, scalando successivamente la produzione aggiungendo ulteriori unità man mano che la domanda cresce. L'uso di più stampanti 3D offre la flessibilità di stampare simultaneamente parti in materiali differenti. 

Per facilitare la gestione di più stampanti 3D a resina, Formlabs mette a disposizione due piattaforme software. Dashboard è un software gratuito che consente di monitorare le stampanti e semplificarne la gestione. Il Fleet Control offre funzionalità aggiuntive e strumenti di gestione avanzati, sfruttando l'automazione per assegnare automaticamente le stampe e rendere più efficiente la gestione di più stampanti.