Impressoras 3D de Resina: SLA, DLP e LED‑LCD Explicadas

A impressão 3D de resinas fotocuráveis tem ganhado terreno nos últimos anos até se tornar a segunda tecnologia de impressão 3D mais popular depois de FFF, tanto em ambientes profissionais como maker. Este boom foi o resultado de dois fatores importantes. Por um lado, o menor custo das impressoras 3D de resina devido ao surgimento de novas tecnologias colocou as impressoras de resina no mesmo segmento de preço que as FFF. Por outro lado, o surgimento de novos materiais como resinas dentárias, flexíveis e de engenharia tornou possível produzir peças de resina que anteriormente só eram viáveis usando FDM ou SLS.

A principal força da impressão 3D de resina, que atraiu a atenção de setores profissionais como odontologia ou joalharia, é a alta resolução que consegue alcançar, variando entre 50 µm a 150 µm em XY e 30 µm a 200 µm em Z, o que está abaixo da resolução mínima de uma impressora 3D FFF. Como resultado, as peças impressas em resina têm alta qualidade superficial e alto nível de detalhe, dando-lhes a mais alta qualidade estética de todas as tecnologias de manufatura aditiva.

Base para a impressão 3D de resina

A impressão 3D de resina baseia-se num princípio completamente diferente do usado na maioria das tecnologias de impressão 3D como FFF ou SLS. Enquanto nestas se usa um polímero termoplástico como ponto de partida e se aquece à temperatura de fusão para formar a peça, a impressão de resina baseia-se na polimerização de uma mistura reativa de monómeros e oligómeros pela aplicação seletiva de luz. Isto significa que, em vez de usar plástico como matéria-prima, na impressão de resina usam-se os componentes básicos que compõem o plástico e o plástico forma-se por reação química durante o processo de impressão.

As resinas para impressão 3D são compostas principalmente por três componentes:

Monómeros e oligómeros: São pequenas moléculas que reagem entre si para formar longas cadeias poliméricas, que são o componente fundamental do plástico. O comprimento destas cadeiras determinará em grande medida as suas propriedades.

Agente de reticulação (Cross-linking agent): Consiste em moléculas maiores ou menores com dois ou mais grupos reativos capazes de se ligar em vários pontos às cadeias poliméricas. A sua função é manter as cadeias firmemente ligadas entre si. Em geral, os plásticos formados na presença de agentes de reticulação dão origem ao que se conhece como plásticos termofixos ou resinas.

Fotoiniciador: É responsável por promover a reação entre os monómeros ou destes com o agente de reticulação. São moléculas orgânicas, geralmente corantes ou fluoróforos, capazes de produzir catiões ou radicais livres na presença de luz a um dado comprimento de onda, iniciando assim reações de polimerização radicalar ou catiónica.

Luz, geralmente azul (405 nm) ou violeta (365 nm - 385 nm), é usada para ativar os fotoiniciadores e fazer a resina solidificar, pois esta é a banda mais energética do espetro visível. Para isso, apenas se iluminam as áreas que farão parte da peça em cada camada.

Imagem 1: Espetro de luz visível. Fonte: Wikipedia.com

As tecnologias de impressão 3D de resina são determinadas pelo tipo de fonte de luz e método de iluminação seletiva usado. Atualmente existem três tecnologias comuns: SLA, DLP e LED-LCD.

Impressão 3D SLA

A impressão 3D SLA ou estereolitografia é a mais antiga tecnologia comercial de impressão 3D. Foi desenvolvida durante a primeira metade dos anos 80 e patenteada em 1986 por Chuck Hull, fundador da 3D Systems, apenas três anos antes de Scott Crump, fundador da Stratasys, patenteou a tecnologia FDM.

Na impressão 3D SLA, a resina é curada usando um feixe de laser entre 150 e 300 µm de diâmetro. O laser varre a superfície de cada camada usando um sistema de espelhos móveis chamado galvanómetro. A principal vantagem desta tecnologia é a alta precisão que pode alcançar, especialmente na área central da plataforma de construção, que só é superada pela tecnologia SLS.

Imagem 2: Processo de impressão SLA. Fonte 3Dhubs.com

Outra das suas vantagens, derivada em parte desta alta precisão, é que alcança um acabamento superior ao obtido em DLP e LED-LCD, pois não apresenta o efeito de degrau que se vê nestes últimos.

Imagem 3: Acabamento superficial em impressão 3D SLA e DLP. Fonte: Formlabs.com

No entanto, nem tudo são vantagens, pois esta é a tecnologia de impressão de resina mais lenta. Para cada camada é necessário varrer toda a superfície da peça com o laser, processo lento que aumenta quanto mais peças posicionamos no espaço de construção. Além disso, é necessário manter as velocidades de varrimento dentro de um intervalo específico, pois velocidades muito altas resultariam em perda de precisão, o principal ponto forte desta tecnologia.

Vídeo 1: Como funciona a impressão SLA. Fonte: Formlabs.com

Esta é a tecnologia usada pelas renomadas impressoras Formlabs, a marca de referência para impressão de resina. Impressoras como a Form 3 ou Form 3B usam esta tecnologia em conjunto com galvanómetros de alta precisão para oferecer os mais altos padrões de qualidade em setores críticos como alta joalharia, odontologia ou medicina.

Imagem 4: Impressora Form 3B. Fonte: Formlabs.com

Impressão 3D DLP

A tecnologia de impressão 3D DLP foi desenvolvida com o objetivo de reduzir os tempos de impressão 3D de resina. Em vez de varrer a superfície da peça com um laser, a camada inteira é projetada simultaneamente usando uma fonte de luz, um dispositivo constituído por uma matriz de microespelhos móveis conhecida como DMD (Digital Micromirror Device) e um conjunto de lentes responsáveis por projetar a imagem sobre a resina.

Vídeo 2: Como funciona um DMD. Fonte: TI.com

Esta tecnologia foi uma revolução, pois cada camada forma-se em poucos segundos e o tempo de impressão é independente do número de peças colocadas na base, dependendo apenas da altura destas.

A sua principal desvantagem é que a resolução de impressão é determinada pela densidade de microespelhos que formam o DMD e a superfície projetada. Para o mesmo sistema DMD, uma superfície de impressão maior resultará sempre numa diminuição proporcional da resolução, o que não acontece com sistemas SLA, onde a resolução é determinada pelo diâmetro do feixe de laser e é independente da superfície de impressão.

Além disso, o uso de lentes de projeção pode causar distorções em áreas afastadas do centro, que são maiores quanto maior o tamanho de construção. É possível corrigir estas distorções usando sistemas óticos mais complexos, porém, muitas vezes tornam o dispositivo muito caro e por isso pouco populares.

A qualidade superficial das peças costuma ser ligeiramente inferior às produzidas por SLA, e em muitos casos aparece o efeito de degrau.

Imagem 5: Efeito de degrau derivado do uso de voxels quadrados em DLP. Fonte: theorthocosmos.com

Embora os tempos de impressão tenham sido criticamente encurtados, esta tecnologia não deslocou a tecnologia SLA. Hoje, é uma tecnologia que caiu em desuso, deslocada principalmente pelo aparecimento da tecnologia LED-LCD.

Impressão 3D LED-LCD ou MSLA

É a tecnologia mais recente a chegar ao mercado e experimentou um crescimento significativo nos últimos anos. Foi desenvolvida como uma evolução da tecnologia DLP, e hoje praticamente a substituiu.

O funcionamento é semelhante à tecnologia DLP, no entanto, em vez de refletir a luz usando um dispositivo de micromespelhos digital (DMD), usa um dispositivo LCD no qual cada pixel atua como uma pequena janela que bloqueia ou deixa passar a luz.

Imagem 6: SLA vs DLP vs MSLA. Fonte: theorthocosmos.com

Os dispositivos LCD são os mesmos usados em ecrãs de telemóveis, TV ou painéis de computador, por isso o custo é muito menor que o dos dispositivos DMD. Além disso, estão disponíveis em tamanhos de 3" a 80", pelo que a projeção é direta e perpendicular à base sobre toda a superfície. Isto evita o uso de sistemas de lentes de projeção caros e complexos e as distorções que causam nas peças produzidas por DLP.

Entre as suas principais vantagens estão a alta velocidade de impressão e baixo custo. Além disso, supera a tecnologia DLP em dois aspetos chave. Como referido acima, a projeção perpendicular evita a distorção da projeção oblíqua fornecida pelas lentes nos sistemas DLP. Em segundo lugar, os dispositivos LCD não só bloqueiam ou permitem a passagem de luz, mas também podem filtrá-la variando a intensidade da luz independentemente em cada pixel. Isto permite usar processos de anti-aliasing que reduzem o efeito de degrau e permitem qualidades superficiais muito próximas às obtidas por SLA.

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Imagem 7: Sub-amostragem de sub-pixel ou anti-aliasing para evitar efeito de degrau. Fonte: hackaday.com

Tudo isto fez com que o seu crescimento nos últimos anos não só deslocou a tecnologia DLP mas está a começar a substituir a tecnologia SLA em indústrias como a odontologia, onde a tecnologia SLA é um padrão.

Um dos principais inconvenientes é o alto nível de aquecimento produzido pelas matrizes de LED usadas, o que significa que sistemas de arrefecimento eficazes devem ser implementados para evitar que a resina aqueça em impressões longas.

Imagem 8: Sistema de arrefecimento líquido de uma impressora Uniz. Fonte: Uniz.com

É a tecnologia presente em todas as impressoras 3D de resina de baixo custo e também nos últimos modelos profissionais como a Uniz Slash.

Imagem 9: Impressora Uniz Slash Plus. Fonte: Uniz.com

Qual tecnologia escolher

Hoje o dilema poderia reduzir-se a duas tecnologias: SLA ou LED-LCD.

Apesar do crescimento da tecnologia LED-LCD, a tecnologia SLA continua a ser maioritária em ambientes profissionais. Há duas razões para isto: primeiro, a alta qualidade e precisão alcançada por SLA com impressoras como as da Formlabs é difícil de igualar. Por outro lado, novas tecnologias precisam de um período de transição para fazer espaço nas empresas devido à necessidade de amortizar equipamento atual e à desconfiança de novos sistemas com baixa implementação no seu setor.

No entanto, as novas impressoras LED-LCD profissionais, como a Uniz, podem proporcionar uma importante vantagem competitiva ao permitir produzir pequenas séries com qualidade similar a SLA e numa fração do tempo. Por exemplo, na produção de modelos para fundição de precisão, amplamente usada em alguns ramos da joalharia e que pode levar a poupanças significativas, não só em tempo e recursos, mas também em custos.

A decisão entre uma ou outra deve basear-se nas necessidades do utilizador entre precisão e capacidade de produção. Em muitos casos devem ser pensadas não como tecnologias rivais, mas como complementares, tendo um equipamento dedicado à produção de pequenas séries e outro para trabalhos mais delicados e precisos.