3D-Harzdrucker: SLA, DLP und LED-LCD

Der 3D-Druck mit lichtaushärtbaren Harzen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen und ist nach dem FFF die zweitbeliebteste 3D-Drucktechnologie sowohl im professionellen als auch im Hobbybereich geworden. Dieser Boom ist das Ergebnis zweier wichtiger Faktoren. Einerseits hat der niedrigere Preis für Harz-3D-Drucker aufgrund des Aufkommens neuer Technologien dazu geführt, dass Harzdrucker in dasselbe Preissegment wie FFF-Drucker gelangt sind. Andererseits hat das Aufkommen von neuen Materialien wie Dental-, flexible und Ingenieurharze die Herstellung von Harzteilen ermöglicht, die zuvor nur mit FDM oder SLS möglich waren.

Die Hauptstärke des 3D-Harzdrucks, die die Aufmerksamkeit einiger professioneller Bereiche wie Zahnmedizin oder Schmuck auf sich gezogen hat, ist die hohe Auflösung, die erreicht werden kann, von 50 µm bis 150 µm in XY und von 30 µm bis 200 µm in Z, was unterhalb der minimalen Auflösung eines 3D-FFF-Druckers liegt. Als Ergebnis haben mit Harz gedruckte Teile eine hohe Oberflächenqualität und ein hohes Detailniveau, was ihnen die höchste ästhetische Qualität aller additiven Fertigungstechnologien verleiht.

Grundlagen des Harz-3D-Drucks

Der 3D-Harzdruck basiert auf einem vollständig anderen Prinzip als die meisten 3D-Drucktechnologien wie FFF oder SLS. Während bei diesen ein thermoplastisches Polymer als Ausgangspunkt verwendet und auf die Schmelztemperatur erhitzt wird, um das Teil zu formen, basiert der Harzdruck auf der Polymerisation einer reaktiven Mischung aus Monomeren und Oligomeren durch selektive Anwendung von Licht. Dies bedeutet, dass statt Kunststoff als Rohmaterial die grundlegenden Bestandteile, die den Kunststoff ausmachen, verwendet werden und der Kunststoff während des Druckvorgangs durch chemische Reaktion gebildet wird.

Harze für den 3D-Druck bestehen hauptsächlich aus drei Komponenten:

Monomere und Oligomere: Dies sind kleine Moleküle, die miteinander reagieren, um lange Polymerketten zu bilden, die den grundlegenden Bestandteil von Kunststoff darstellen. Die Länge dieser Ketten bestimmt weitgehend ihre Eigenschaften.

Vernetzungsmittel: Bestehend aus größeren oder kleineren Molekülen mit zwei oder mehr reaktiven Gruppen, die an verschiedenen Punkten an die Polymerketten binden können. Ihre Funktion besteht darin, die Ketten fest miteinander zu verbinden. Im Allgemeinen führen Kunststoffe, die in Gegenwart von Vernetzungsmitteln gebildet werden, zu sogenannten Duroplasten oder Harzen.

Photoinitiator: Dies ist dafür verantwortlich, die Reaktion zwischen den Monomeren oder zwischen diesen und dem Vernetzungsmittel zu fördern. Dies sind organische Moleküle, in der Regel Farbstoffe oder Fluorophore, die in Gegenwart von Licht bei einer bestimmten Wellenlänge Kationen oder freie Radikale erzeugen können, wodurch radikalische oder kationische Polymerisationsreaktionen initiiert werden.

Licht, im Allgemeinen blau (405 nm) oder violett (365 nm - 385 nm), wird verwendet, um die Photoinitiatoren zu aktivieren und das Harz zu verfestigen, da dies das energetischste Band im sichtbaren Spektrum ist. Dazu werden nur die Bereiche beleuchtet, die Teil des Stücks sein werden, in jeder Schicht.

Bild 1: Sichtbares Lichtspektrum. Quelle: Wikipedia.com

Die 3D-Harzdrucktechnologien werden durch den Typ der Lichtquelle und die Methode der selektiven Beleuchtung bestimmt. Derzeit gibt es drei gängige Technologien: SLA, DLP und LED-LCD.

SLA 3D-Druck

3D-SLA- oder Stereolithographiedruck ist die älteste kommerzielle 3D-Drucktechnologie. Sie wurde in der ersten Hälfte der 1980er Jahre entwickelt und 1986 vom 3D-Systems-Gründer Chuck Hull patentiert, nur drei Jahre bevor der Stratasys-Gründer Scott Crump die FDM-Technologie patentieren ließ.

Beim 3D-SLA-Druck wird das Harz mit einem Laserstrahl zwischen 150 und 300 µm Durchmesser ausgehärtet. Der Laser fegt die Oberfläche jeder Schicht mit einem beweglichen Spiegelsystem namens Galvanometer ab. Der Hauptvorteil dieser Technologie ist die hohe Präzision, die sie erreichen kann, insbesondere im zentralen Bereich der Konstruktionsplattform, die nur von der SLS-Technologie übertroffen wird.

Bild 2: SLA-Druckprozess. Quelle 3Dhubs.com

Einer seiner Vorteile, der sich teilweise aus dieser hohen Präzision ergibt, ist, dass er eine überlegene Oberflächenbeschaffenheit im Vergleich zu derjenigen erreicht, die bei DLP- und LED-LCD-Geräten erzielt wird, da er nicht den Treppeneffekt aufweist, der bei Letzteren zu sehen ist.

Bild 3: Oberflächenbeschaffenheit beim 3D-SLA- und DLP-Druck. Quelle: Formlabs.com

Nicht alles ist jedoch ein Vorteil, da dies die langsamste Harzdrucktechnologie ist. Für jede Schicht ist es erforderlich, die gesamte Oberfläche des Teils mit dem Laser abzutasten, was ein langsamer Prozess ist, der sich erhöht, je mehr Teile wir im Bauraum positionieren. Darüber hinaus müssen die Abtastgeschwindigkeiten innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten werden, da sehr hohe Geschwindigkeiten zu einem Verlust an Präzision führen würden, der Hauptstärke dieser Technologie.

Video 1: Wie SLA-Druck funktioniert. Quelle: Formlabs.com

Dies ist die Technologie, die von den renommierten Formlabs-Druckern verwendet wird, der Maßstabmarke für Harzdruck. Drucker wie der Form 3 oder der Form 3B verwenden diese Technologie in Verbindung mit hochpräzisen Galvanometern, um die höchsten Qualitätsstandards in kritischen Branchen wie hochwertigem Schmuck, Zahnmedizin oder Medizin zu bieten.

Bild 4: Form 3B Drucker. Quelle: Formlabs.com

DLP 3D-Druck

Die DLP-3D-Drucktechnologie wurde mit dem Ziel entwickelt, die Druckzeiten für 3D-Harz zu verkürzen. Anstatt die Oberfläche des Teils mit einem Laser abzutasten, wird die gesamte Schicht gleichzeitig mit einer Lichtquelle projiziert, einem Gerät, das aus einem beweglichen Mikrospiegelarray, dem sogenannten DMD (Digital Micromirror Device), und einem Satz von Linsen besteht, die für die Projektion des Bildes auf das Harz verantwortlich sind.

Video 2: Wie ein DMD funktioniert. Quelle: TI.com

Diese Technologie war eine Revolution, da jede Schicht in wenigen Sekunden gebildet wird und die Druckzeit unabhängig von der Anzahl der auf der Basis platzierten Teile, nur von deren Höhe, ist.

Ihr Hauptnachteil ist, dass die Druckauflösung durch die Dichte der Mikrospiegel bestimmt wird, die das DMD und die projizierte Oberfläche bilden. Für dasselbe DMD-System führt eine größere Druckoberfläche immer zu einer proportionalen Abnahme der Auflösung, was bei SLA-Systemen nicht der Fall ist, wo die Auflösung durch den Durchmesser des Laserstrahls bestimmt wird und unabhängig von der Druckoberfläche ist.

Darüber hinaus können durch den Einsatz von Projektionslinsen Verzerrungen in Bereichen weit vom Zentrum entfernt entstehen, die umso größer sind, je größer die Baugröße ist. Es ist möglich, diese Verzerrungen durch den Einsatz komplexerer optischer Systeme zu korrigieren, jedoch machen sie das Gerät oft sehr teuer und daher nicht sehr beliebt.

Die Oberflächenqualität der Teile ist in der Regel leicht niedriger als die von SLA hergestellten, und in vielen Fällen tritt der Treppeneffekt auf.

Bild 5: Treppeneffekt, der sich aus der Verwendung von quadratischen Voxel in DLP ergibt. Quelle: theorthocosmos.com

Obwohl die Druckzeiten kritisch verkürzt wurden, hat diese Technologie die SLA-Technologie nicht verdrängt. Heute ist es eine Technologie, die in Ungnade gefallen ist, hauptsächlich durch das Auftreten der LED-LCD-Technologie verdrängt.

LED-LCD oder MSLA 3D-Druck

Es handelt sich um die neueste Technologie, die den Markt erreicht hat und in den letzten Jahren einen signifikanten Wachstum verzeichnet hat. Sie wurde als Weiterentwicklung der DLP-Technologie entwickelt und hat diese heute praktisch ersetzt.

Die Funktionsweise ähnelt der DLP-Technologie, jedoch verwendet sie anstelle der Lichtreflexion durch ein digitales Mikrospiegelgerät (DMD) ein LCD-Gerät, bei dem jedes Pixel als kleines Fenster fungiert, das Licht blockiert oder durchlässt.

Bild 6: SLA vs DLP vs MSLA. Quelle: theorthocosmos.com

Die LCD-Geräte sind dieselben wie die in Mobilbildschirmen, Fernsehern oder Computerpanels verwendeten, sodass die Kosten viel niedriger sind als die von DMD-Geräten. Darüber hinaus sind sie in Größen von 3" bis 80" erhältlich, sodass die Projektion direkt und senkrecht zur Basis über die gesamte Oberfläche erfolgt. Dies vermeidet die Verwendung teurer und komplexer Projektionslinsensysteme und die Verzerrungen, die sie bei DLP-erzeugten Teilen verursachen.

Zu den wichtigsten Vorteilen gehören seine hohe Druckgeschwindigkeit und niedrige Kosten. Darüber hinaus übertrifft es die DLP-Technologie in zwei wesentlichen Punkten. Wie bereits erwähnt, verhindert die senkrechte Projektion Verzerrungen durch die schräge Projektion, die Linsen in DLP-Systemen bieten. Zweitens blockieren LCD-Geräte nicht nur Licht oder lassen es passieren, sondern können es auch filtern, indem sie die Lichtintensität unabhängig an jedem Pixel variieren. Dies ermöglicht den Einsatz von Antialiasing-Prozessen, die den Treppeneffekt reduzieren und Oberflächenqualitäten ermöglichen, die denen sehr nahekommen, die durch SLA erzielt werden.

Bild 7: Subpixel oder Antialiasing-Abtastung zur Vermeidung des Treppeneffekts. Quelle: hackaday.com

All dies hat dazu geführt, dass sein Wachstum in den letzten Jahren nicht nur die DLP-Technologie verdrängt hat, sondern beginnt, die SLA-Technologie zu ersetzen in Branchen wie der Zahnmedizin, wo die SLA-Technologie Standard ist.

Einer der Hauptnachteile ist der hohe Heizungsgrad, der durch die verwendeten LED-Matrizen erzeugt wird, was bedeutet, dass effektive Kühlsysteme implementiert werden müssen, um zu verhindern, dass das Harz bei langen Drucken erhitzt wird.

Bild 8: Flüssigkeitskühlsystem eines Uniz-Druckers. Quelle: Uniz.com

Es handelt sich um die Technologie, die in allen kostengünstigen Harz-3D-Druckern vorhanden ist und auch in den neuesten professionellen Modellen wie dem Uniz Slash.

Bild 9: Uniz Slash Plus Drucker. Quelle: Uniz.com

Welche Technologie zu wählen

Heute könnte das Dilemma auf zwei Technologien reduziert werden: SLA oder LED-LCD.

Trotz des Wachstums der LED-LCD-Technologie ist die SLA-Technologie immer noch die Mehrheit in professionellen Umgebungen. Dafür gibt es zwei Gründe: Erstens ist die hohe Qualität und Genauigkeit, die SLA mit Druckern wie Formlabs erreicht, schwer zu übertreffen. Andererseits benötigen neue Technologien eine Übergangsphase, um in Unternehmen Fuß zu fassen, aufgrund der Notwendigkeit, die aktuellen Geräte abzuschreiben und des Misstrauens gegenüber neuen Systemen mit geringer Implementierung in ihrem Sektor.

Die neuen professionellen LED-LCD-Drucker wie der Uniz können jedoch einen wichtigen Wettbewerbsvorteil bieten, indem sie die Herstellung von Kleinserien mit einer Qualität ermöglichen, die der von SLA ähnlich ist, und zwar in einem Bruchteil der Zeit. Beispielsweise bei der Herstellung von Modellen für das Wachsausschmelzverfahren, das in einigen Zweigen der Schmuckindustrie weit verbreitet ist und zu erheblichen Einsparungen führen kann, nicht nur bei Zeit und Ressourcen, sondern auch bei Kosten.

Die Entscheidung zwischen einer oder der anderen Technologie muss auf den Bedürfnissen des Benutzers hinsichtlich Präzision und Produktionskapazität basieren. In vielen Fällen sollten sie nicht als konkurrierende Technologien betrachtet werden, sondern als ergänzende, wobei ein Team für die Herstellung von Kleinserien und ein anderes für empfindlichere und präzisere Arbeiten zuständig ist.