¿Qué es la impresión 3D por estereolitografía (SLA)?

La estereolitografía (SLA) es una de las tecnologías de impresión 3D más comunes en el prototipado rápido. Esta tecnología utiliza resina fotosensible como materia prima. Este artículo explica el principio básico de la impresión 3D por estereolitografía, describe su funcionamiento, el proceso completo paso a paso y los materiales adecuados.

Descripción general de la estereolitografía (SLA)

La estereolitografía (SLA) fue una de las primeras tecnologías de prototipado rápido que se desarrollaron. Además, es una de las tecnologías de prototipado rápido más investigadas, maduras y utilizadas en la actualidad.

La estereolitografía utiliza resina fotosensible como materia prima. Un láser (luz ultravioleta) de longitud de onda e intensidad específicas incide sobre la superficie del material fotosensible. Esto provoca la solidificación del material, desde el punto hasta la línea, y de la línea a la superficie, completando así el dibujo de una sección de capa. A continuación, la plataforma de construcción se eleva o desciende verticalmente el grosor de una capa, y la siguiente capa se irradia y solidifica. Este ciclo de curado y movimiento se repite, y las capas se apilan para completar la impresión de una pieza sólida tridimensional.

Principio de la estereolitografía

La tecnología de estereolitografía fue desarrollada con éxito por primera vez por Charles Hull en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos en 1986. Recibió una patente en 1987. Es la primera tecnología de impresión 3D que apareció y actualmente es la más madura y utilizada. Utiliza principalmente resina fotosensible como materia prima y la solidifica capa a capa bajo control informático mediante un láser ultravioleta. El proceso SLA permite imprimir prototipos con alta calidad superficial y precisión dimensional, así como formas geométricas complejas, de forma sencilla, rápida y totalmente automática.

El resultado de la impresión por estereolitografía depende no solo del equipo de impresión, sino también en gran medida del rendimiento de la resina fotosensible. El material de impresión debe tener la viscosidad adecuada. Tras el curado, debe conservar cierta resistencia, y la contracción y la deformación durante y después del curado deben ser mínimas. Más importante aún, para lograr una impresión rápida y precisa, la resina fotosensible debe poseer las propiedades fotosensibles adecuadas. Debe curarse completamente bajo una irradiación de energía relativamente baja, y la profundidad de curado de la resina también debe ser la apropiada.

El principio de funcionamiento de la estereolitografía (SLA) se muestra en la figura. Bajo control informático, el láser ultravioleta escanea e irradia la superficie de la resina fotosensible líquida punto por punto, según los datos de las secciones estratificadas del modelo de diseño. Esto provoca que la fina capa de resina fotosensible en la zona irradiada experimente una reacción de polimerización y se solidifique, formando así una fina capa de impresión curada. Tras completar el curado de una sección de la capa, la plataforma de construcción desciende a lo largo del eje Z el equivalente al grosor de una capa. Debido a las características de flujo del líquido, el material de impresión forma automáticamente una nueva capa de resina líquida sobre la superficie de la resina previamente curada. Por lo tanto, el componente de irradiación puede realizar directamente la operación de curado de la siguiente capa. La nueva capa curada se adhiere firmemente a la parte previamente curada. El proceso de irradiación y descenso se repite cíclicamente hasta que se imprime la pieza completa. Sin embargo, una vez finalizada la impresión, el prototipo debe extraerse de la resina y someterse a un tratamiento de postcurado. El producto final se obtiene mediante tratamientos de luz intensa, galvanoplastia, pintura o coloración.

Cabe destacar que, debido a la alta viscosidad de algunas resinas fotosensibles, resulta difícil que la superficie líquida se nivele rápidamente tras la irradiación y el curado de cada capa. Esto afecta la precisión del modelo impreso. Por ello, la mayoría de los equipos SLA incorporan una cuchilla rascadora. Tras cada descenso de la plataforma de construcción, la cuchilla realiza una operación de raspado, lo que permite que la resina se aplique de forma muy uniforme en la siguiente capa. Tras el fotocurado, se logra una mayor precisión y la superficie del producto impreso final resulta más lisa y plana.

Las características de la tecnología SLA son su alta precisión, buena calidad superficial y una tasa de utilización de materia prima cercana al 100 %. Permite imprimir piezas con formas particularmente complejas y detalles muy finos, siendo ideal para el prototipado rápido de piezas pequeñas. Sin embargo, su desventaja radica en el precio relativamente elevado tanto del equipo como de las materias primas de impresión.

Actualmente, la tecnología SLA se utiliza para la fabricación de moldes y modelos. También puede emplearse añadiendo otros componentes a la materia prima para sustituir los patrones de cera en la fundición a la cera perdida. Si bien la tecnología SLA ofrece una alta velocidad de impresión y precisión, debido a que el material de impresión debe basarse en resina fotosensible, y esta inevitablemente produce contracción durante el proceso de curado, lo que provoca tensiones o deformaciones, una de las principales dificultades para la promoción de esta tecnología en la actualidad es la urgente necesidad de materiales fotosensibles con baja contracción, curado rápido y alta resistencia.

Proceso de estereolitografía

El proceso de la tecnología de estereolitografía (SLA) se puede dividir generalmente en cuatro etapas: preprocesamiento, fabricación de prototipos, limpieza y tratamiento de curado.

1. La etapa de preprocesamiento consiste principalmente en la preparación de datos para el modelo de impresión. Específicamente, incluye pasos como la conversión de datos del modelo de diseño CAD, la determinación de la orientación de colocación, la adición de soportes y la división en capas.
2. El proceso de estereolitografía es el proceso de impresión propiamente dicho que utiliza el equipo SLA. Antes de la impresión formal, generalmente es necesario encender el equipo SLA con antelación para que la resina fotosensible alcance la temperatura preestablecida. El encendido del láser ultravioleta también requiere cierto tiempo.
3. La limpieza del modelo consiste principalmente en eliminar el exceso de resina líquida, retirar y recortar los soportes del prototipo y lijar las texturas escalonadas formadas por el curado capa a capa.
4. Para diversos métodos de estereolitografía, generalmente se requiere un tratamiento posterior al curado, como por ejemplo un tratamiento general posterior al curado mediante un horno ultravioleta.

Características de la estereolitografía

La tecnología de estereolitografía ofrece ventajas como una rápida velocidad de conformado y una alta precisión en la creación de prototipos. Es ideal para fabricar piezas pequeñas que requieren alta precisión y presentan estructuras complejas.

Sin embargo, la tecnología de prototipado rápido por estereolitografía también presenta dos inconvenientes. En primer lugar, las resinas fotosensibles son tóxicas, por lo que los operarios deben tomar precauciones al manipularlas. En segundo lugar, si bien los productos finales de estereolitografía tienen una apariencia excelente, su resistencia no es comparable a la de los productos fabricados industrialmente. Esto limita considerablemente el desarrollo de esta tecnología y restringe su aplicación principalmente a la verificación del diseño de prototipos. Posteriormente, se requiere una serie de procesos para convertirlos en productos de grado industrial.

El coste de los equipos, el mantenimiento y los materiales de la tecnología SLA es mucho mayor que el de la modelización por deposición fundida (FDM) y otras tecnologías. Por lo tanto, las impresoras 3D basadas en estereolitografía se utilizan actualmente principalmente en ámbitos profesionales. Las aplicaciones de escritorio aún están en fase inicial.

En concreto, las ventajas de la tecnología de impresión SLA son las siguientes:

• La tecnología SLA apareció pronto y, tras muchos años de desarrollo, ha alcanzado un alto grado de madurez técnica.
• La velocidad de impresión es rápida, el proceso de reacción fotosensible es práctico, el ciclo de producción del producto es corto y no se necesitan herramientas de corte ni moldes.
• La precisión de impresión es alta. Permite imprimir prototipos y moldes con estructuras o formas complejas que son difíciles de fabricar con tecnologías tradicionales.
• Las funciones del software son completas. Permite el funcionamiento en línea y el control remoto, lo cual resulta beneficioso para la automatización de la producción.

En comparación con otras tecnologías de impresión, las desventajas de la tecnología SLA son:

• Los equipos SLA suelen ser caros, y el coste de uso y mantenimiento es muy elevado.
• Requiere un manejo preciso de líquidos tóxicos y tiene requisitos estrictos en cuanto al entorno de trabajo.
• Debido a las limitaciones de materiales, los disponibles son principalmente resinas. Esto limita considerablemente la resistencia, la rigidez y la resistencia al calor de los productos impresos, y los hace inadecuados para el almacenamiento a largo plazo.

Materiales para impresión SLA

La estereolitografía (SLA) es adecuada para diversos materiales de resina. Los materiales se pueden seleccionar según el uso final de la pieza, teniendo en cuenta factores como la resistencia al calor, el acabado superficial liso o la resistencia al desgaste. El precio de las resinas varía considerablemente. Los materiales estándar cuestan alrededor de 70 RMB por litro, mientras que los materiales especiales, como la resina moldeable o la resina dental, cuestan alrededor de 500 RMB por litro.

Tolerancia y capacidades

En Getzshape, nuestros servicios de impresión 3D abarcan cuatro tecnologías principales: SLA, SLS, SLM y FDM. A continuación, se detallan las tolerancias y capacidades de nuestra impresión 3D SLA.

Acabados para componentes impresos mediante SLA

• LijadoUn paso básico e importante para el acabado superficial de las piezas impresas. Consiste en utilizar papel de lija de diferentes granos para eliminar las líneas de capa visibles y conseguir una superficie más lisa.
• PinturaPrimero, se lija la superficie para alisarla. Luego se aplica una imprimación para que la pintura se adhiera mejor. Después, se aplica la pintura de color con brocha o pulverizador. La pintura puede ocultar completamente las líneas de las capas, darle a la pieza un color atractivo y lograr una superficie lisa. Se utiliza ampliamente en maquetas, prototipos y productos finales.
• PulidoPara lograr una superficie lisa y brillante, tras el lijado básico, se utilizan compuestos o herramientas especiales para pulir la superficie. Este proceso elimina pequeños arañazos y le da a la pieza un aspecto brillante.

Aplicaciones de la estereolitografía

Entre las diversas tecnologías de prototipado rápido, la estereolitografía (SLA) se ha convertido en uno de los métodos más utilizados, debido a su alto grado de automatización del proceso, buena calidad de la superficie, alta precisión dimensional y capacidad para producir características geométricas finas y complejas.

La tecnología SLA se utiliza ampliamente en la comunicación de diseño conceptual, la fundición de precisión para producción de bajo volumen, el modelado de productos, la fabricación rápida de herramientas y las aplicaciones de utillaje directo. Ha encontrado amplias aplicaciones en industrias como la aeroespacial, la automotriz, la de electrodomésticos, la de productos de consumo y la de dispositivos médicos.

Aeroespacial

En el sector aeroespacial, los modelos SLA se pueden utilizar para pruebas en túneles de viento, verificación de la capacidad de fabricación y validación del ensamblaje.

Los componentes aeroespaciales suelen ser sistemas muy complejos que operan en espacios reducidos. Mediante la tecnología de estereolitografía, los ingenieros no solo pueden realizar comprobaciones de interferencias en el ensamblaje basadas en prototipos SLA, sino también llevar a cabo evaluaciones de la viabilidad de fabricación para determinar el proceso de fabricación óptimo.

Con la ayuda de la fundición a la cera perdida rápida, la fundición en arena rápida y tecnologías relacionadas, la estereolitografía (SLA) también puede respaldar la producción de piezas únicas o lotes pequeños de componentes altamente complejos, como turbinas, álabes e impulsores, así como la fabricación de prototipos y las pruebas de componentes de motores.

En la industria aeroespacial, muchos componentes de motores se fabrican mediante procesos de fundición. La producción de patrones maestros de alta precisión mediante mecanizado CNC tradicional es extremadamente costosa y requiere mucho tiempo. Gracias a la tecnología SLA, los patrones maestros para fundición a la cera perdida se pueden producir directamente a partir de modelos digitales CAD, lo que reduce significativamente tanto el tiempo de entrega como el coste de fabricación.

En tan solo unas horas, se pueden generar patrones maestros SLA complejos y de bajo coste, adecuados para la fundición a la cera perdida, directamente a partir de modelos CAD.

La tecnología de prototipado rápido SLA también puede utilizarse para fabricar diversos proyectiles o carcasas de misiles. Tras la instalación de sensores, estos modelos pueden someterse directamente a pruebas en túnel de viento. Este método elimina el coste y el tiempo de producción asociados a la fabricación de moldes complejos de superficies curvas, lo que permite a los ingenieros evaluar múltiples conceptos de diseño de forma más eficiente e identificar la solución aerodinámica óptima.

Como resultado, los ciclos de verificación y los costes generales de desarrollo pueden reducirse significativamente a lo largo de todo el proceso de desarrollo del producto.

Además, los modelos de misiles a escala real fabricados con tecnología SLA pueden recubrirse superficialmente para mostrar claramente su apariencia, estructura y principios operativos. En comparación con las simulaciones informáticas o los planos de ingeniería convencionales, estos modelos físicos ofrecen capacidades de visualización y presentación mucho más eficaces, a la vez que permiten evaluar la viabilidad de fabricación y el ensamblaje antes de que comience la producción en masa.

Motorium

La tecnología SLA también se utiliza en la fabricación de automóviles, herramientas, productos eléctricos e industria de fundición.

La industria automotriz se caracteriza por la producción de múltiples modelos y ciclos de desarrollo cortos. Para satisfacer las exigencias de fabricación en constante cambio, los diseños de los vehículos deben actualizarse y optimizarse continuamente.

Si bien las modernas tecnologías de simulación por computadora permiten realizar análisis relacionados con la potencia, la resistencia y la rigidez, aún se requieren prototipos físicos durante el desarrollo del producto para verificar la apariencia, la accesibilidad de las herramientas, la viabilidad del ensamblaje y el rendimiento del desmontaje.

Para componentes con formas y estructuras muy complejas, la tecnología SLA se puede utilizar para fabricar prototipos funcionales que validen los conceptos del diseñador, al tiempo que facilitan las pruebas de funcionalidad y la verificación del ensamblaje.

La tecnología SLA también se utiliza ampliamente en la investigación del análisis de flujo de motores. Esta tecnología se emplea para determinar los patrones de flujo de líquidos o gases dentro de componentes complejos. Se instalan prototipos transparentes en una plataforma de prueba y se hace circular un líquido con partículas finas o burbujas a través de los canales de flujo para visualizar su comportamiento.

Esta tecnología se ha aplicado con éxito en la investigación y el desarrollo de:

• Sistemas de refrigeración del motor
• Cabezas de cilindros
• camisas de agua
• Colectores de admisión
• Colectores de escape

Los métodos de fabricación tradicionales son lentos, costosos y, a menudo, carecen de la precisión necesaria. En cambio, la tecnología SLA, combinada con el modelado CAD, requiere solo de 4 a 5 semanas, reduciendo los costos a aproximadamente un tercio de los de los métodos tradicionales.

Además, los modelos transparentes resultantes pueden satisfacer plenamente los requisitos dimensionales CAD para componentes como culatas y camisas de agua, al tiempo que logran la calidad superficial requerida.

Más allá de estas aplicaciones, la tecnología de prototipado rápido SLA también se puede integrar con:

• Ingeniería inversa
• Tecnología de herramientas rápidas
• Tecnologías de fabricación de prototipos

para aplicaciones como:

• Diseño de carrocerías de automóviles
• Desarrollo de prototipos de parachoques delantero y trasero
• Fabricación de prototipos de paneles de puertas interiores
• Validación de prototipos funcionales y estructurales
• Producción de componentes para vehículos de competición

Fundición de inversiones

En la producción de fundición, la fabricación de modelos, cajas de machos, moldes de inyección de cera y moldes de fundición a presión tradicionalmente depende de procesos de mecanizado y, a menudo, requiere un acabado manual por parte de técnicos cualificados.

Para piezas fundidas con geometrías muy complejas, la fabricación de moldes se vuelve especialmente difícil.

Aunque algunas grandes fundiciones están equipadas con máquinas CNC avanzadas y equipos de fresado por copiado, el equipo en sí es caro, los ciclos de mecanizado son largos y la programación sigue siendo difícil debido al limitado soporte de software.

La aparición de la tecnología de prototipado rápido ha proporcionado a la industria de la fundición una solución capaz de ofrecer:

• Producción de moldes más rápida
• Mayor precisión dimensional
• Geometrías más complejas

De este modo, se mejora significativamente la capacidad de fabricación de moldes de fundición.

Arte y creatividad

Gracias a su excelente calidad superficial, alta precisión dimensional y capacidad para producir detalles estructurales complejos, la tecnología SLA también se ha adoptado ampliamente en aplicaciones artísticas y creativas.

Actualmente, la estereolitografía se utiliza ampliamente en:

• Creación artística
• réplica de reliquias culturales
• Escultura digital
• Producción artesanal creativa
• Fabricación de modelos de animación
• Desarrollo de productos culturales creativos

Patrones maestros para fundición al vacío

El proceso de moldeo al vacío es una alternativa económica para producir lotes pequeños de piezas moldeadas por inyección. Normalmente, se utilizan componentes impresos mediante SLA como modelos maestros, mientras que los moldes de silicona se fabrican a partir de estos modelos maestros. Posteriormente, se vierte poliuretano (PU) en los moldes de silicona para fabricar las piezas replicadas.

La calidad de las piezas moldeadas al vacío depende en gran medida de la calidad del patrón maestro original. Se pueden aplicar texturas superficiales u otros tratamientos de acabado a los prototipos SLA para simular el aspecto final y las características superficiales detalladas de los productos de producción. El molde de silicona reproduce con precisión los detalles y las texturas del patrón maestro, lo que permite que las piezas replicadas logren un acabado superficial y una apariencia muy uniformes.