Leitfaden zum Kunstharz-3D-Druck: SLA, DLP, MSLA und LCD

Die Auflösung ist im 3D-Druck ein Charakteristikum, das sich schwer für unterschiedliche Geräte und Hersteller definieren und standardisieren lässt. Die endgültige Qualität und Genauigkeit von Druckteilen ist von zahlreichen Faktoren abhängig, nämlich der Größe, der Form und der Verteilung des Lichts beim Aushärten des Kunstharzes sowie dem Verhalten des Kunstharzes im Hinblick auf Streuung, Ausbluten und Polymerisation. Einige Kunstharze streuen das Licht beispielsweise stärker als andere, was dazu führen kann, dass mehr Kunstharz als gewünscht aushärtet und das Druckteil somit weniger detaillierte Merkmale aufweist.

Die Auflösung – die bei Tintendruckern einst als „dots per inch“ oder DPI definiert wurde – ist ein leicht zu verstehendes Konzept, wenn es um die Verteilung von Tinte auf der X- und Y-Achse geht. Als der 3D-Druck Fuß fasste, wurden diese Definition und die Messstandards für die Auflösung von 3D-Druckteilen durch die Hinzufügung der Z-Achse verkompliziert.

Um die 3D-Drucktechnologie und den Druckerhersteller mit der höchsten Auflösung zu ermitteln, muss betrachtet werden, wie gut ein Teil auf der XY-Ebene abgebildet wird und wie hoch die minimale Schichthöhe auf der Z-Achse ist. Wie gut die gewünschte Form abgebildet wird, ist jedoch von mehreren Faktoren abhängig.

Die Auflösung von laserbasierten SLA-3D-Druckern wird durch vier Faktoren bestimmt: die Laserspotgröße, die Leistungsverteilung des Laserspots, die Präzision der Galvanometer bei der Lenkung des Lichts auf die XY-Ebene und die minimale Schichthöhe auf der Z-Achse.

Die Laserspotgröße scheint auf den ersten Blick die minimale Strukturgröße anzugeben – dem ist jedoch nicht so. Es stimmt zwar, dass die minimale Strukturgröße durch die Laserspotgröße definiert wird, wenn das gesamte Teil nur aus einem einzigen, runden Punkt besteht – denn der Laser kann keine Fläche aushärten, die kleiner ist als er selbst. Dies ist jedoch keine realistische Druckteilgeometrie. Bei realistischen Teilen kann der Laser auch Formen und Merkmale nachzeichnen, die kleiner sind als die Laserspotgröße, denn die Schrittgröße, mit der der Laser sich über die XY-Ebene bewegt, ist kleiner als die Spotgröße – so zeichnet der Laser also den „Außenrand“ sehr kleiner Strukturen nach. 

Der Form 3+ hat beispielsweise eine Laserspotgröße von 85 Mikrometern, aber eine XY-Auflösung von 25 Mikrometern. Die XY-Auflösung beschreibt hier, wie genau der Drucker in der XY-Ebene (Horizontale) drucken kann.

Die Auflösung von DLP-3D-Druckern ist von der Pixelgröße (sowohl X- als auch Y-Messungen), der Leistung und Uniformität des Lichts, dem Einsatz von Kantenglättung und der minimalen Schichthöhe auf der Z-Achse abhängig, ähnlich wie bei laserbasierten SLA-Druckern. 

Je kleiner die Pixelgröße, desto höher die Auflösung – ganz wie bei bekannten Technologien wie Fernsehern oder Mobilgeräten. Im DLP-3D-Druck wird die XY-Auflösung von der Pixelgröße bestimmt, dem kleinsten Merkmal, das der Projektor in einer einzelnen Schicht reproduzieren kann. Dies hängt von der Auflösung des Projektors – Full-HD (1080p) ist die häufigste – sowie vom Abstand zum optischen Fenster ab. Darum haben die meisten DLP-3D-Drucker im Desktop-Format eine feste XY-Auflösung, die im Allgemeinen zwischen 35 und 100 Mikrometern liegt.

Die Auflösung von DLP-3D-Druckern verringert sich mit steigendem Fertigungsvolumen, da keine Projektoren mit signifikant höherer Pixelzahl verfügbar sind. Somit müssen Hersteller bei gleichbleibender Pixelzahl den Abstand von der Lichtquelle vergrößern, was zu einer verringerten Auflösung und Druckqualität führt. 

Die Auflösung von MSLA-3D-Druckern ist durch die Pixelgröße des LCDs, die Kollimation und Uniformität der Lichtquelle, den Einsatz von Kantenglättung sowie die minimale Schichthöhe auf der Z-Achse bestimmt. 

Ähnlich wie bei DLP-3D-Druckern bedeutet eine kleinere Pixelgröße auch eine höhere Auflösung. Die Pixelgröße ist dabei jedoch nur ein Faktor. Beim MSLA-Druck muss das Licht stark kollimiert sein (also in parallelen Strahlen verlaufen) und darf beim Passieren eines Pixels im LCD-Bildschirm nicht streuen. Das Licht muss außerdem extrem uniform sein, damit das Kunstharz durch jedes Pixel des LCD mit derselben optischen Leistung ausgehärtet wird.

Glücklicherweise ist die minimale Schichthöhe auf der Z-Achse eine weniger komplizierte Messgröße – die meisten Kunstharz-3D-Drucker verfügen über eine standardmäßige Schichthöhe von 25 bis 200 Mikrometern. Bei invertierten Kunstharz-3D-Druckern hängt die Schichthöhe von der vertikalen Tiefe des Kunstharzes ab, das sich zwischen der Konstruktionsplattform und dem Tankboden befindet – im Grunde also von der Höhe jeder ausgehärteten Harzschicht. 

Aber zur wesentlichen Frage: Spielt die Auflösung beim Kunstharz-3D-Druck tatsächlich eine Rolle? Die Antwort lautet Ja – aber häufig dient die Auflösung an sich nur als Aushängeschild. Sie bietet gewisse Anhaltspunkte, steht aber nicht notwendig in direktem Verhältnis zu Genauigkeit, Präzision und Druckqualität. Eine höhere Auflösung (kleinere Pixel oder Laserspotgröße in der XY-Ebene und kleinere Schichten auf der Z-Achse) ist in der Regel auch mit erheblichen Abstrichen bei der Geschwindigkeit oder auch der Zuverlässigkeit verbunden (denn eine höhere Anzahl von Schichten bedeutet mehr mögliche Fehlerquellen).

Weil es sich beim 3D-Druck um ein additives Verfahren handelt, bringt jede neue Schicht das Risiko von Ungenauigkeiten mit sich. Beim Formen der einzelnen Schichten können winzige Abweichungen von der vorgegebenen Form des Querschnitts anfallen und die Maßgenauigkeit des Teils beeinträchtigen. Die Maßhaltigkeit ist von zahlreichen Faktoren abhängig: der Art des 3D-Druckverfahrens, dem Hardwaredesign, den Eigenschaften des Kunstharzes, den Druckeinstellungen und den Nachbearbeitungsschritten. Im Allgemeinen bieten Kunstharz-3D-Drucker die genauesten und präzisesten 3D-Druckverfahren. Unterschiede bei der Genauigkeit und Präzision hängen überwiegend vom Modell und Hersteller statt von der Technologie ab.

Der erste wesentliche Faktor, der die Genauigkeit von Kunstharz-3D-Drucken beeinflusst, ist die optische Leistung des Druckers – insbesondere die Größe, Form und Uniformität des Lichts, welches das Kunstharz aushärtet. Professionelle laserbasierte 3D-Drucker wie der Form 3+ und der Form 3B+ verwenden hochwertige, ausgiebig kalibrierte Galvanometer, um sicherzustellen, dass der Laserstrahl exakt an der beabsichtigten Stelle auf das Kunstharz trifft und den vorgesehenen Laserpfad ohne Abweichungen verfolgt.

Die Genauigkeit von DLP-3D-Druckern wird durch die Auflösung und die Leistung des Lichtprojektors sowie die Qualität und Kalibrierung der Mikrospiegel beeinflusst. Bei DLP-Druckern wird die Genauigkeit oft durch Pixelverzerrung an den Rändern der Druckebene beeinträchtigt, denn die Distanz des von den Mikrospiegeln projizierten Lichts zur Lichtquelle ist dort größer.

Die Genauigkeit von LCD- und MSLA-3D-Druckern wird durch die Uniformität und Kollimation des Lichts sowie die Pixelgröße und Qualität des LCDs beeinflusst. Die meisten LCD-Drucker beinhalten Linsen oberhalb der Lichtquelle, wobei es sich meist jedoch um recht einfache Linsen handelt, die zu unebenem Licht, dunklen Punkten oder Verzerrung führen können – und damit zu ungenauen Teilen. Die Qualität des LCDs selbst ist ebenfalls entscheidend – je höher die Auflösung, umso besser kann das LCD die Befehle aus der Software umsetzen, die angeben, wo das Licht verdeckt werden soll und wo nicht.

Die Light Processing Unit 4 (LPU 4) von Formlabs beinhaltet ein spezielles LCD mit 50 μm Pixelgröße und voreingestellter Kantenglättung, das für hervorragende Maßgenauigkeit sorgt. Die Beleuchtungseinheit des Form 4 generiert extrem starkes Licht in einer uniformen Flächenprojektion, dank 60 LEDs sowie einem Feld plankonvexer Linsen und einer optischen Ablenkplatte, die auch bei hoher optischer Leistung hochgradig kollimiertes und uniformes Licht garantieren.

Der zweite entscheidende Faktor für die Genauigkeit sind die Kräfte, die beim Druckvorgang auf das Teil wirken. Bei allen invertierten Kunstharz-Druckern treten zwei Arten von Druckkräften auf. Durch den Ablösevorgang beim Anheben der Konstruktionsplattform und Ablösen einer ausgehärteten Druckschicht vom Harztank entstehen Abzugskräfte. Beim Absenken der Konstruktionsplattform, die das Druckteil in den Tank flüssigen Kunstharzes taucht, wirken ebenfalls Kräfte. Diese Kräfte können dazu führen, dass sich Schichten verschieben und verformen, was letztlich eine geringere Maßgenauigkeit zur Folge hat.

Einige Drucker verwenden Harztanks mit einfachem flexiblen Film, der sich leicht von den ausgehärteten Schichten ablöst und die Abzugskräfte minimiert. Obwohl diese Tanks eine Reduktion der Abzugskräfte erzielen, haben sie zwei wesentliche Nachteile. Sie verwenden einen wenig robusten Film, der leicht beschädigt werden kann und häufig ausgetauscht werden muss. Sie sind außerdem anfällig für Saugkräfte, also das Festsaugen des flexiblen Films am LCD-Bildschirm, was einen punktuellen Anstieg der Abzugskräfte verursacht.

Der Form 4, ein professioneller MSLA-Drucker, verwendet einen Harztank mit zweischichtigem flexiblem Film, der die Abzugskräfte minimiert und extrem robust und widerstandsfähig ist. Der Form 4 verfügt außerdem über einen eigens entwickelten, mikrotexturierten optischen Film – die Ablösetextur, welche einen Luftstrom zwischen dem Harztank und dem LCD aufrechterhält. Dadurch verhindert diese Textur Saugkräfte und steigert die Druckgenauigkeit.

Die Ablösetextur des MSLA-3D-Druckers Form 4 erhält einen Luftstrom zwischen dem Harztank und dem LCD aufrecht. Dadurch verhindert sie Saugkräfte und steigert die Druckgenauigkeit.

Der letzte zentrale Faktor, der sich auf die Genauigkeit auswirkt, sind die Eigenschaften des flüssigen Kunstharzes im Drucker. Der Vorgang der Aushärtung flüssigen Kunstharzes ist von vielen Variablen abhängig, unter anderem der Harztemperatur, der Homogenität, der Streuung und der Viskosität. Bei jeder dieser Variablen können kleine Änderungen dazu führen, dass sich die Menge des gehärteten Harzes verändert, was Abweichungen von bis zu Hunderten Mikrometern in der Größe oder Form der ausgehärteten Schichten zur Folge haben kann. Die meisten 3D-Drucker kontrollieren diese Variablen nicht, sodass es zu häufigen, unvorhersehbaren Maßabweichungen kommt.

Der Form 4 löst dieses Problem auf vielerlei Weise. Einerseits werden die Temperatur und die Homogenität des flüssigen Kunstharzes mithilfe von Heizelementen, Infrarot-Temperatursensoren und einem extrem schnellen Harzmischer präzise gesteuert. Formlabs entwickelt und produziert seine Materialien zudem selbst, wobei die Reaktivität, Viskosität und die Streuungseigenschaften jedes Materials streng kontrolliert werden. Darüber hinaus nutzt der Form 4 eine fortschrittliche Slicing-Software, Druckerkalibrierung und validierte Druckeinstellungen, um die Eigenschaften der einzelnen Materialien automatisch zu kompensieren.

Wie schon erwähnt ist die Genauigkeit und Präzision eines 3D-Druckers also nicht allein von der Technologie abhängig, sondern auch vom spezifischen Hardwaredesign, den Eigenschaften des flüssigen Kunstharzes, den Druckeinstellungen, der Kalibrierung und der Nachbearbeitung.

Vor der Einführung des invertierten SLA-3D-Drucks hatten Kunstharz-3D-Drucker große Fertigungsvolumen und waren sehr kostspielig. Der invertierte Kunstharz-3D-Druck machte die Technologie leichter zugänglich, allerdings waren diese Geräte oft weitaus kleiner, da sich große Druckaufträge aufgrund der hohen Abzugskräfte nur extrem schwer erfolgreich zu drucken wären.

Die Kombination von invertiertem SLA-Druck (der die Nutzung von Kunstharz nach Bedarf anstelle von großen Wannen voll Harz ermöglicht) und neuen Ablösetechnologien macht es heute möglich, größere Fertigungsvolumen zu drucken, ohne 100 000 € und mehr für einen konventionellen großformatigen Kunstharz-3D-Drucker auszugeben. Für Branchen wie die Konsumgüterindustrie, das Produktdesign und das Gesundheitswesen stellen großformatige Kunstharz-Drucker die ideale Lösung dar, um Anwendungen in Lebensgröße umzusetzen. 

Um zu beurteilen, welches Format von Kunstharz-Druckern sich am besten für die eigenen Zwecke eignet, sollte der Anwendungsfall betrachtet werden. Im laserbasierten Kunstharz-Druck gibt es drei wesentliche Produktkategorien: Desktop-, Benchtop- und Industrieformat.

Industrielle Systeme kamen in den vergangenen Jahrzehnten häufiger in Unternehmen zum Einsatz, die sowohl die hohen Anschaffungs- und Wartungskosten stemmen als auch den höheren Platz- und Infrastrukturbedarf von konventionellen Stereolithografie-Druckern bedienen konnten.

Kunstharz-3D-Drucker im Desktop-Format wurden durch die Erfindung des invertierten SLA-3D-Drucks ermöglicht. Mit der Implementierung der Technologie durch mehr und mehr Hersteller wurden kleinere Drucker mit einem quaderförmigen Fertigungsvolumen von ca. 10–20 cm in jeder Dimension zur Norm.  Der Form 3+ von Formlabs bietet beispielsweise ein Fertigungsvolumen von 14,5 × 14,4 × 19,3 cm, während der Form 4 mit 20 × 12,5 × 21 cm ein 30 % größeres Fertigungsvolumen bietet.

Ebenso wurde auch der Kunstharz-3D-Druck im Benchtop-Format erst durch die Kombination der invertierten SLA-Technologie mit verbesserten Ablösetechniken möglich. Benchtop-3D-Drucker wie der Form 3L, der ein Fertigungsvolumen von 33,5 × 20 × 32 cm bietet, eignen sich perfekt für die Prototypenfertigung von Konsumgütern in voller Größe sowie für die Herstellung von Endprodukten mithilfe von 3D-gedrucktem Rapid Tooling.

Bei DLP-3D-Druckern begrenzen Auflösung und Fertigungsvolumen einander direkt. Die Auflösung ist vom Projektor abhängig, wodurch die Anzahl der verfügbaren Pixel/Voxel definiert wird. Wenn der Projektor näher am optischen Fenster positioniert wird, werden die Pixel kleiner und die Auflösung steigt somit, doch der verfügbare Konstruktionsbereich wird eingeschränkt. Einige Hersteller verwenden Projektoren mit 4K- oder gar 8K-Auflösungen. Diese sind jedoch äußerst teuer und treiben somit die Kosten des Endprodukts in die Höhe.

Die meisten großformatigen DLP-Drucker verwenden statt invertierter Technologien nach wie vor Druckverfahren von oben nach unten, weshalb große Mengen an Kunstharz zugleich eingesetzt werden müssen. Darum werden kleine DLP-3D-Drucker für den Desktop gewöhnlich für spezifische Anwendungsfälle optimiert. Sie verfügen über ein kleineres Fertigungsvolumen und bieten eine hohe Auflösung zur Fertigung kleiner, detaillierter Teile wie Schmuckstücke, während andere größere Teile mit einer entsprechend niedrigeren Auflösung drucken können.

LCD-3D-Drucker beruhen auf einer LED-Matrix und einem LCD-Bildschirm von ähnlicher Größe zur Maskierung. Daher bleiben die Genauigkeit und die Präzision auch mit steigendem Fertigungsvolumen gleich. Ein großformatiger LCD- oder MSLA-3D-Drucker liefert die gleiche Maßgenauigkeit wie eine kleinere Version, sofern beide Geräte LCDs mit derselben Pixelgröße und eine LED-Lichtquelle mit gleichermaßen uniformem und kollimiertem Licht verwenden.

Anders als bei laserbasierten SLA-3D-Druckern erhöhen sich durch jede zusätzliche LED-Leuchte und jeden weiteren Quadratzentimeter LCD jedoch die Kosten. Laserbasierte Kunstharz-Drucker können unabhängig von der Größe des Fertigungsvolumens den gleichen Laser verwenden, denn durch die Galvanometer wird der Laserpfad schlichtweg zu den entfernteren Bereichen der Plattform geleitet. Aus Gründen der Druckgeschwindigkeit verfügen viele laserbasierte Kunstharz-Drucker im Benchtop-Format jedoch über eine zweite Laserkomponente, so auch der Form 3L. Dadurch erhöhen sich die Kosten hier ebenso wie durch das Hinzufügen weiterer LEDs und größerer LCDs.

Die Schichten von Kunstharz-3D-Drucken auf der Z-Achse sind sowohl chemisch als auch physisch gebunden, weshalb die Trennung zwischen den vertikalen Schichten kaum zu erkennen ist. Daraus ergibt sich eine glattere Gesamtoptik. 

Bei transparenten Materialien wie Clear Resin führt die glatte Oberfläche zu einer besseren Lichtdurchlässigkeit der fertigen Teile. Das macht das Druckverfahren ideal für Teile, die zur Darstellung interner Merkmale optische Transparenz erfordern.

Laserbasierte 3D-Drucker wie der Form 3+ und der Form 3L erfreuen sich aufgrund der nahezu völlig glatten Oberflächen großer Beliebtheit. Da der Laserspot rund ist, lassen sich wahrhaft runde Krümmungen drucken, und auch die Gesamtoptik der Teile ist sehr glatt. 

DLP- und LCD-3D-Drucker ergeben in der Regel ebenfalls ein sehr glattes Oberflächenfinish und erfordern nur wenig Schleif- oder Polierarbeiten, um die Optik von Spritzgussteilen zu erzielen. Allerdings projizieren DLP- und LCD-Drucker das Licht durch Voxel oder Pixel, die rechteckig sind. Früher verursachten diese Voxel sichtbare „Stufen“ oder einen sogenannten Alias-Effekt auf der X- und Y-Achse, was auch als Voxel- oder Pixellinien bezeichnet wird.

Neuere DLP- und LCD-3D-Drucker verwenden hochauflösende Projektoren oder LCDs mit sehr kleinen Pixeln sowie Techniken zur Kantenglättung (auch Anti-Aliasing genannt), bei denen bestimmte Pixel teilweise eingeschaltet werden. Dadurch erreichen moderne DLP- und LCD-3D-Drucker eine Oberflächenbeschaffenheit, die von den Ergebnissen laserbasierter SLA-Drucker fast nicht zu unterscheiden ist.

Bei kleineren Druckteilen ist die Geschwindigkeit laserbasierter Kunstharz-Drucker mit DLP- und LCD-3D-Druckern vergleichbar – wenn der Laser zum Aushärten des Kunstharzes keine große Fläche abdecken muss, kann er die einzelnen Schichten schnell fertigstellen. Bei mittleren oder großformatigen Teilen oder dem Druck ganzer Chargen arbeiten laserbasierte 3D-Drucker jedoch häufig deutlich langsamer als DLP- oder MSLA-Modelle.

DLP-Drucker erfreuen sich bereits großer Beliebtheit in Branchen, wo schneller Druck mehr Umsatz bedeutet, wie etwa Dentallaboren. Sie sind allerdings anfälliger für optische Verzerrung über den Konstrukionsbereich hinweg und erfordern anspruchsvolle Kalibrierungsschritte, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Außerdem sind sie oftmals teurer als LCD-3D-Drucker mit vergleichbarer Leistung.

Fortschrittliche MSLA-Technologien wie die des Form 4 bieten alles in allem die schnellste und zuverlässigste 3D-Drucklösung. Die Aushärtung ganzer Druckschichten auf einmal ist der Faktor, der den Druck am meisten beschleunigt, aber auch andere Merkmale des Form 4, wie etwa der Harztank mit doppelschichtigem flexiblem Film, die Ablösetextur, die beschleunigte, automatisierte Harzabgabe und die schnelle Harzerhitzung, sorgen für eine Verkürzung der Druckzeit.

Wer MSLA-Drucker für die Produktion in Betracht zieht, der sollte ein großes Augenmerk auf die Qualität und Zuverlässigkeit ihrer Komponenten legen. Die meisten LCD-Drucker haben den Ruf, nicht sehr langlebig zu sein, denn typische LCD-Bildschirme sind nicht für die Bedingungen geschaffen, die in 3D-Druckern herrschen. Die Light Processing Unit 4 des Form 4 hat eine Lebensdauer von 600 000 bis 1 900 000 Schichten und kann einfach und kostengünstig vom Anwender ausgetauscht werden.

Die Skalierung des Durchsatzes ist mit Kunstharz-3D-Druckern für den Desktop eine Leichtigkeit. Ihr praktisches Format vereinfacht das Hinzufügen weiterer Drucker und das Skalieren des Produktionsvolumens. Zudem können einige Geräte durch Automatisierungslösungen ergänzt werden. Die Kunstharz-Drucksysteme von Formlabs bieten fortschrittliche Hilfsmittel wie den Form Auto für den Form 3/B/+, der durch die Automatisierung der Teileentnahme für einen unterbrechungsfreien Druckbetrieb sorgt. Automatisierungswerkzeuge wie Formlabs' automatisiertes Ecosystem verringern die Anzahl der notwendigen Handgriffe im Druckprozess. Dadurch vereinfachen sie Abläufe, bei denen kleine, größtenteils ähnliche Teile (wie etwa Dentalmodelle) nahezu kontinuierlich gedruckt werden.