Wie man die am besten geeignete Technologie auswählt: FDM, SLA und SLS

Additive Fertigung ist der Begriff, der den gesamten Satz von Fertigungstechnologien auf der Basis der Materialzuführung bildet. Dies bedeutet, dass im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung (die traditionelle CNC-Bearbeitungsmethoden umfasst), es darauf basiert, Teile durch schichtweises Hinzufügen der präzisen Materialmenge auf selektive Weise aufzubauen.

Innerhalb dieser Kategorie gibt es jedoch eine Vielzahl sehr unterschiedlicher Technologien, jede mit ihren Vor- und Nachteilen, daher ist es von großer Bedeutung, ihre Grundlagen und ihre Einschränkungen zu kennen, um die am besten geeignete für jede Anforderung auszuwählen.

Obwohl es viele Technologien und Varianten gibt, sind die häufigsten und verbreitetsten in der Industrie drei:

• Ablagerung von geschmolzenem Material (FDM)
• Selektive Photopolymerisation von Harzen (SLA)
• Selektives Lasersintern (SLS)

Obwohl zweifellos die verbreitetste Technologie die FDM-Technologie ist. Hauptsächlich aufgrund des Auftretens von kostengünstigen 3D-Druckern auf dieser Technologiebasis, haben in den letzten Jahren sowohl SLA- als auch SLS-Technologie an Bedeutung gewonnen. Unternehmen wie Formlabs oder Sinterit vermarkten Geräte, basierend auf SLA bzw. SLS, die industrielle Qualitäten zu wirklich wettbewerbsfähigen Preisen erreichen können. Dies zusammen mit dem Erscheinen neuer Materialien macht es derzeit schwierig für ein Unternehmen oder einen Fachmann, sich für eine Technologie oder eine andere zu entscheiden.

Nachfolgend erläutern wir die Hauptmerkmale jeder Technologie sowie ihre Unterschiede, Vor- und Nachteile.

Geschmolzenes Ablagerungsmodell (FDM)

Es ist bei weitem die beliebteste Technologie. Sie basiert auf dem Extrudieren durch eine Düse oder "Düse" ein Thermoplast oberhalb seiner Schmelztemperatur. Da das extrudierte Material die Düse des Filaments verlässt, wird es selektiv Schicht für Schicht abgelagert, um das Teil zu bilden.

Bild 1: FDM-Druck. Quelle: commons.wikimedia.com

Trotz der häufigen Verwendung ist es die komplexeste, wenn es darum geht, Dateien für den Druck zu entwerfen und vorzubereiten. Die Einschränkungen des 3D-FDM-Drucks bestimmen oft das Design selbst, sodass im Allgemeinen, wenn Teile mit dieser Technologie hergestellt werden, es notwendig ist, sie zu entwerfen oder neu zu gestalten, um sie kompatibel zu machen. Dies kann ein großes Problem sein, wenn das Ziel des 3D-Drucks darin besteht, Modelle zu validieren, die später mit anderen Produktionsmethoden hergestellt werden.

Unter all den Einschränkungen sind die wichtigsten die Notwendigkeit, Stützstrukturen zu verwenden, und die Unmöglichkeit, mechanische Isotropie zu erreichen.

Da das geschmolzene Material nicht in der Luft abgelagert werden kann, ist es nicht möglich, Brücken oder Überhänge direkt zu drucken. In diesen Fällen müssen daher Stützstrukturen hinzugefügt werden. Dies bedeutet einen größeren Material- und Zeitverbrauch, zusätzlich dazu, dass die Teile nachbearbeitet werden müssen, um diese Stützen zu entfernen, und die Oberflächenqualität im Kontaktbereich beeinträchtigt wird.

Bild 2: Gedruckte Teile mit Stützstrukturen. Quelle: Simplify3D

Eine Möglichkeit, einige der Nachteile bei der Verwendung von Stützen zu minimieren, besteht darin, sie mit einem löslichen Material zu drucken. Dadurch wird ihre Entfernung erleichtert und die Oberflächenqualität des Kontaktbereichs verbessert. Dies erfordert, dass der Drucker ein Doppel-Extrudersystem wie das IDEX-System für die BCN3D Sigma und BCN3D Sigmax Drucker oder den Bondtech-Doppelextruder hat, der in die Raise Pro2 3D-Drucker integriert ist.

Video 1: IDEX-System BCN3D. Quelle: BCN3D

Andererseits ist es, wie wir in einem früheren Artikel erklärt haben, mit FDM unmöglich, isotrope Teile zu erhalten, was ein großes Problem bei bestimmten mechanischen und strukturellen Anwendungen darstellt.

Weitere wichtige Einschränkungen sind geringe Auflösung und hohe Toleranzen. Obwohl es mit kleinen Düsendurchmessern möglich ist, Z-Auflösungen nahe denen zu erreichen, die mit SLA oder SLS erreicht werden, wird die XY-Auflösung immer viel niedriger sein und vom verwendeten Material abhängen. Dies liegt daran, dass die Auflösung durch den Durchmesser der verwendeten Düse bestimmt wird und nicht alle Materialien mit kleinen Düsendurchmessern kompatibel sind.

Nicht alle Nachteile sind jedoch. Die FDM-Technologie bietet mit Abstand die größte Materialpalette zu niedrigeren Kosten, zusätzlich zu höheren Druckvolumen und obwohl der Preisunterschied zwischen den verschiedenen Technologien kleiner geworden ist, ist es immer noch die kostengünstigste Technologie.

Bild 3: Pyramide der wichtigsten für den 3D-FDM-Druck verfügbaren Materialien. Quelle: 3dhubs.com

Es ist auch eine saubere und sichere Technologie, die wenig Vorbereitung vor dem Drucken erfordert. Dies ermöglicht es, sie in jeder Umgebung zu platzieren und mehr Unmittelbarkeit als beim SLA- und SLS-Druck zu erreichen, der umfangreichere Vorbereitungs- und Reinigungsaufgaben erfordert, was sie zur perfekten Technologie für Bildungsanwendungen auf jedem Niveau macht, von Grundschule bis Hochschulstudien.

Es ist eine ideale Technologie zum Drucken von Vorlagen und Werkzeugen, Teilen mit einem großen mittleren Volumen oder für Anwendungen, die spezifische Materialien erfordern, die für andere Technologien nicht verfügbar sind.

Ein weiterer Bereich, in dem 3D-FDM-Druck große Vorteile bietet, ist die Herstellung von architektonischen Modellen. Im Allgemeinen besteht diese Art von Projekt aus sperrigen Teilen, die keine hohe Präzision erfordern. Dies zusammen mit der Verfügbarkeit von Materialien wie Filamet, Timberfill, Smartfil EP oder PLA Mukha, die Metall-, Holz- oder Keramikoberflächen ohne Nachbearbeitung bieten können.

Bild 4: Architektonisches Modell, gedruckt mit FDM. Quelle: Raise3D

Stereolithographie (SLA)

Es ist die zweithäufigste 3D-Drucktechnologie. Sie basiert darauf, eine Kavität aus lichthärtbarem Harz selektiv schichtweise UV-Licht auszusetzen. Diese selektive Belichtung kann durch einen Laserstrahl (SLA), einen Projektor (DLP) oder eine maskierte LED (LED-LCD / MSLA) erfolgen.

Bild 5: Unterschiede zwischen SLA, DLP und MSLA. Quelle: theorthocosmos.com

Wie beim 3D-FDM-Druck erfordert es Stützstrukturen, die nach dem Drucken entfernt werden müssen. Der 3D-SLA-Druck ermöglicht jedoch derzeit nicht den simultanen Druck mit zwei Materialien, daher muss die einzige Möglichkeit, die Stützen zu entfernen, mechanisch erfolgen. Dies bedeutet, dass in diesem Fall die Oberfläche des Teils ebenfalls in den Bereichen beeinträchtigt wird, in denen Kontakt mit den Stützen besteht.

Bild 6: Stützen eines mit SLA gedruckten Teils. Quelle: 3Dhubs.com

Eine weitere grundlegende Unterschied zu 3D-FDM-Druck ist, dass es statt thermoplastischen Thermoset-Polymeren verwendet. Darüber hinaus neigen SLA-Materialien dazu, teurer zu sein als FDM-Materialien und haben eine gewisse Toxizität. Dies zusammen mit der Tatsache, dass die Teile Reinigungs- und Nachbearbeitungsaufgaben erfordern, macht diese Technologie weniger empfehlenswert für den Bildungsbereich.

Seine Stärke liegt jedoch in der hohen Auflösung und dem ausgezeichneten Oberflächenfinish, das durch den 3D-SLA-Druck erreicht werden kann. In der Regel können Auflösungen von bis zu 50 µm in allen Ebenen erreicht werden.

Trotz der Tatsache, dass es SLA-Drucker mit großen Druckvolumina gibt, die mit denen von 3D-FDM-Druckern vergleichbar sind, haben 3D-SLA-Drucker im Allgemeinen deutlich kleinere Druckvolumina.

Es eignet sich perfekt für den Druck kleiner Teile, die eine hohe Auflösung und ausgezeichnete Oberflächenqualität erfordern. Derzeit ist die beliebteste 3D-Drucktechnologie in den Bereichen Zahnmedizin und Schmuck. Daher verfügt sie über das breiteste Angebot an Dental- und abformbaren Harzen.

Bild 7: Dentalmodelle, die per SLA gedruckt wurden. Quelle: Formlabs.

Selective Laser Sintering (SLS)

Es ist wahrscheinlich die am wenigsten bekannte Technologie, obwohl sie eine der ältesten und am häufigsten in industriellen Umgebungen ist.

Dies liegt daran, dass bis vor kurzem alle SLS-3D-Druckgeräte angemessene Einrichtungen erforderten und die Kosten sowohl für die Ausrüstung als auch für die Implementierung hoch waren. Obwohl sich dies in den letzten Jahren geändert hat, dank des Erscheinens von SLS-Druckern im Desktop-Format, wie dem Lisa und dem Lisa Pro, deren Anschaffungskosten bei der Implementierung denjenigen von FDM- und SLA-Systemen nahekommen. Obwohl diese Technologie die Herstellung sowohl von Thermoplasten als auch von Metallteilen ermöglicht, da das Ziel dieses Artikels darin besteht, die Unterschiede zwischen den drei Technologien zu verstehen, konzentrieren wir uns nur auf den 3D-SLS-Thermoplastikdruck.

3D-SLS-Druck besteht darin, dass mit einem Laserscansystem selektiv Schichten von Pulvermaterial gesintert werden. Jedes Mal, wenn eine Schicht gesintert wird, senkt sich das Baukammerbett ab und ein spezielles Gerät namens Abzieher trägt eine neue Schicht Pulver auf.

Bild 8: Schematisches Bild eines SLS-Druckers. Quelle: Sinterit.

Der Hauptvorteil dieser Technologie ist die Möglichkeit des Druckens ohne Stützstrukturen. Dies reduziert die Designbeschränkungen erheblich im Vergleich zu jeder anderen Technologie und vereinfacht die Nachbearbeitung der Teile erheblich.

Zusammen mit der hohen Präzision, die durch den Laser erreicht wird, die höher ist als die beim 3D-Druck mit SLA oder FDM, ist es möglich, komplexe Baugruppen direkt zu drucken, ohne ihre Komponenten einzeln drucken zu müssen.

Film 2: Fahrradschaltung, die direkt mit 3D-SLS-Druck hergestellt wurde. Quelle: Sinterit.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass die mit SLS gedruckten Teile dicht sind und eine hohe Isotropie aufweisen, was es zur idealen Technologie für die Herstellung funktionaler Modelle und Prototypen macht. All dies zusammen mit dem guten Oberflächenfinish macht es auch für die Herstellung von Kleinserien von Endprodukten geeignet.

SLS-3D-Drucker haben nicht so eine breite Palette kompatibler Materialien wie der 3D-FDM-Druck, aber die Möglichkeit, technische Materialien wie verschiedene Arten von Nylons oder TPE und TPUs zu verwenden, ermöglicht es, die meisten Anwendungen abzudecken.

Film 3: Teil, das mit TPU mit 3D-SLS-Druck gedruckt wurde. Quelle: Sinterit.

Trotz all der Vorteile ist der Hauptbegrenzungsfaktor des SLS-3D-Drucks das Druckvolumen. Obwohl industrielle Geräte große Druckvolumina haben, die denen von FDM-Systemen ähneln, haben SLS-Desktop-3D-Drucker in der Regel Druckvolumina, die denen von SLA-Druckern ähnlich sind.

Außerdem erfordern Teil-Nachbearbeitungen lediglich Reinigungsarbeiten, um überschüssiges Pulver ohne Sintern zu entfernen, aber SLS-3D-Drucker erfordern Vorbereitungs- und Reinigungsarbeiten, die den Prozess weniger sofortig machen als beim FDM-Druck.

Obwohl all diese Eigenschaften diese Technologie zur Branchenstandarde gemacht haben, haben ihre hohen Kosten den Zugang für kleine und mittlere Unternehmen eingeschränkt. Mit dem Aufkommen erschwinglicher Desktop-SLS-3D-Drucker wie Lisa und Lisa Pro in den letzten Jahren ändert sich dies. Obwohl die Kosten immer noch etwas höher sind als bei äquivalenten Modellen in FDM und SLA, ist derzeit der Preis kein entscheidender Faktor mehr bei der Auswahl einer Technologie.

Bild 9: Sinterit Lisa Pro. Quelle: Sinterit.

Vergleich zwischen FDM, SLA und SLS

Um die drei Technologien ordnungsgemäß zu vergleichen, müssen wir dies auf zwei Ebenen tun: hinsichtlich der Merkmale und hinsichtlich der Design- und Herstellungseinschränkungen.

Die wichtigsten Merkmale jeder Technologie werden unten verglichen:

Die folgende Tabelle zeigt die Designeinschränkungen jeder Technologie:

Heutzutage sind Computer, die auf diesen drei Technologien basieren, auf dem Markt in einer ähnlichen Preisklasse erhältlich, wie beispielsweise Drucker der Hersteller Raise3D, Formlabs oder Sinterit. Dank dessen wird das einzige Kriterium bei der Entscheidung für die Implementierung einer Technologie oder einer anderen technische Kriterien sein.

Es ist notwendig, die Bedürfnisse und den Verwendungszweck des 3D-Druckers gut zu bewerten, um zu entscheiden, welche Technologie am besten geeignet ist und um die Investition rentabel zu machen.