Was versteht man im 3D-Druck unter Auflösung?

Auflösung ist ein geflügeltes Wort, aber wird in der Welt des 3D-Drucks selten hinterfragt. Welchen Einfluss hat die XY- und Z-Auflösung des 3D-Druckers auf die Druckqualität? Was ist die minimale Strukturgröße und welche Schichtdicke ist zu wählen?

In dieser Übersicht erklären wir, den Einfluss von Auflösung auf 3D-Drucke und die Unterschiede bei SLA, FDM und DLP 3D-Druckern.

Auflösung im Vergleich zur minimalen Strukturgröße

Der Wettstreit um die höchste Auflösung wird im Bereich der Technik schon seit Jahrzehnten geführt. So weist beispielsweise der neue TV-Standard 4K viermal so viele Pixel auf wie HD, und auch 8K wird mit Sicherheit nicht lange auf sich warten lassen. Auf den Datenblättern von Handys, Tablet-Computern und allen Geräten mit Bildschirmen brüsten sich die Hersteller mit immer höheren Auflösungen. Aber das ist nichts Neues. Die Auflösungskriege haben sich mit zunehmender Popularität der Digitaltechnik immer weiter ausgebreitet, und die Druckbranche war eines der ersten Schlachtfelder.

Mit einer Punktdichte von 100x100 Dots per Inch (DPI) fing es an, eskalierte dann schnell auf 300x300, dann 600x600 und schließlich auf den gegenwärtigen Branchenstandard von 1200x1200 DPI. Was diese Werte bedeuteten, war damals noch gut nachvollziehbar, selbst die Maßeinheiten machten Sinn. Es wird aber weitaus komplizierter, wenn man den Druck um eine zusätzlich Dimension erweitert.

Auflösung im 3D-Druck

Die Detailgenauigkeit eines Drucks wird von der Auflösung in allen drei Dimensionen beeinflusst

Beim 3D-Druck müssen sowohl die beiden zweidimensionalen Flächendimensionen (X und Y) als auch die für den 3D-Druck ausschlaggebende Z-Dimension berücksichtigt werden. Da die Flächendimensionen und die Z-Dimension generell über sehr verschiedene Mechanismen gesteuert werden, weisen sie unterschiedliche Auflösungen auf, die gesondert zu betrachten sind. Daher stiften der Begriff „Auflösung“ und die damit verbundenen Erwartungen an die Qualität im 3D-Druck viel Verwirrung.

Hochauflösender Druck

Da sich der SLA-3D-Drucker Form 3 durch eine hohe Z-Achsen-Auflösung und eine geringe minimale Strukturgröße auf der XY-Ebene auszeichnet, ist er zur Nachbildung feinster Details in der Lage.

Was ist die Auflösung eines 3D-Druckers? Diese Frage lässt sich nicht mit einem einzigen Zahlenwert beantworten. Da er in drei Dimensionen druckt, sind mindestens zwei Werte zu berücksichtigen: die minimale Strukturgröße auf der XY-Ebene und die Z-Achsen-Auflösung (Schichthöhe). Die Z-Achsen-Auflösung lässt sich problemlos ermitteln und wird daher besonders häufig ausgewiesen, obwohl sie eigentlich mit der Druckqualität weniger zu tun hat. Die wichtigere XY-Auflösung (die minimale Strukturgröße) wird mittels mikroskopischer Bildgebung gemessen und erscheint daher nicht immer in den Datenblättern. Man sollte sich aber in der Praxis für einen Drucker entscheiden, der in beiden Kategorien gute Leistungen erzielt, wie es beim Form 3 der Fall ist.

SLA im Vergleich zu FDM

Es hat sich viel getan seit die ersten Desktop 3D-Drucker auf den Markt kamen. Jetzt konkurrieren Desktop-Geräte wie der Form 3, die im Stereolithografieverfahren (SLA) arbeiten, um dieselben Kunden wie Drucker, die Extrusionsverfahren wie das Fused Deposition Modeling (FMD) anwenden. Einer der wichtigsten Vorteile, die SLA-Drucker im Vergleich zu ihren Kunststoff schmelzenden Pendants auszeichnen, ist die Druckqualität, denn mit SLA-Druckern lassen sich weitaus glattere und detailgenauere Teile anfertigen. SLA-3D-Drucker sind gewöhnlich in der Lage, erheblich kleinere Schichthöhen zu erzielen, aber der eigentliche Grund für die bessere Qualität ist ihre weitaus höhere XY-Auflösung.

Im Gegensatz zu FDM-Druckern ist die minimale Strukturgröße auf der XY-Ebene bei SLA-Druckern nicht durch die Flussdynamik des geschmolzenen Kunststoffs begrenzt, sondern durch Optik und die Kinetik der radikalen Polymerisation. Die mathematischen Zusammenhänge sind kompliziert (und würden den Rahmen dieses Posts sprengen), lassen sich aber auf folgenden Nenner bringen: Strukturen (Features) von SLA-Druckmodellen können ungefähr so kein sein wie der Durchmesser ihrer Laserspots. Und Laserspots können sehr, sehr klein sein, besonders im Vergleich zu Extrudierdüsen.

Laser im Vergleich zu DLP

Auf dem Gebiet des SLA-3D-Drucks gibt es zwei Hauptarten von Bildgebungssystemen: lasergestützte Systeme und DLP-Systeme.

Im Gegensatz zu DLP-Druckern, die in Relation zum Konstruktionsbereich über eine feste Pixelmatrix verfügen, können lasergestützte Geräte den Laserstrahl auf jede beliebige XY-Koordinate richten. Damit können lasergestützte, mit hochwertiger Optik ausgestattete Maschinen die Oberfläche eines Teils selbst dann präziser nachbilden, wenn die Laserspotgröße die DLP-Pixelgröße übersteigt.

Für welchen Drucker Sie sich auch entscheiden, er sollte auf jeden Fall die feinsten Details Ihrer Designs erfassen können, von Stresstestmodellen bis hin zu fotorealistischen Büsten berühmter Persönlichkeiten. Mit dem richtigen hochauflösenden 3D-Drucker können Sie Ihre kreativen Ideen erfolgreich realisieren.

 

Wissenswertes über XY-Auflösung

In der Welt des 3D-Drucks wird die Druckqualität durch keinen Faktor mehr beeinflusst als durch die XY-Auflösung. Von der XY-Auflösung, die auch als horizontale Auflösung bezeichnet wird, wird zwar viel gesprochen, aber nur wenige wissen, was sich hinter diesem Begriff verbirgt. Es handelt sich um die kleinste Bewegung, zu der der Laser oder Extrudierer eines Druckers innerhalb einer einzigen Schicht in der Lage ist. Je kleiner dieser Wert, desto größer die Detailgenauigkeit. Die XY-Auflösung wird jedoch nicht immer in den Datenblättern der Drucker angegeben, und falls doch, ist sie nicht selten inkorrekt. Wenn man wirklich wissen will, welche XY-Auflösung ein Drucker aufweist, dann muss man sich mit den wissenschaftlichen Hintergründen dieses Parameters vertraut machen.

Welchen Einfluss hat die XY-Auflösung in der Praxis auf die Qualität Ihrer 3D-Druckergebnisse? Um dies herauszufinden, haben wir den SLA-3D-Drucker Form 2 getestet. Der Form 2 hat eine Laserspotgröße von 140 µm (FWHM), was den Druck feiner Details auf der XY-Ebene ermöglichen sollte. Wir haben das System einem Test unterzogen, um herauszufinden, ob sich diese ideale Auflösung tatsächlich erzielen lässt.

Design eines Testmodells

Um die minimale Strukturgröße des Form 2 auf der XY-Ebene zu testen, entwarfen wir ein Modell (links) mit Linien von 10 bis 200 µm Breite und druckten es im Transparenten Kunstharz (rechts)

Zunächst entwarfen und druckten wir ein Modell, um die minimale Strukturgröße auf der XY-Ebene zu testen. Das Modell ist ein rechteckiger Block mit Linien unterschiedlicher Breiten in horizontaler, vertikaler und diagonaler Ausrichtung, um direktionale Artefakte zu vermeiden. Die Linienbreiten reichten von 10 bis 200 µm in Stufen von 10 µm und sind 200 µm hoch, was bei einem Druck mit einer Z-Auflösung von 100 µm zwei Schichten entspricht. Das Modell wurde im Transparenten Kunstharz gedruckt, zweimal in einem IPA-Bad gewaschen und 30 Minuten lang ausgehärtet.

Analyse des Modells

Das Modell wurde fotografiert und grün eingefärbt, um die Sichtbarkeit zu verbessern. Die vertikale gelbe Linie mit den schwarzen Punkten im rechten Fensterbereich gibt Aufschluss über die Breite einer fotografierten Linie

Nach dem Aushärten machten wir zu Analysezwecken hochauflösende Fotos des Modells unter einem Mikroskop. Mit der kostenlosen Bildanalysesoftware ImageJ der US-Gesundheitsbehörde NIH skalierten wir zunächst die Pixel der Bilder und ermittelten dann die tatsächlichen Breiten der gedruckten Linien. Wir erfassten über 50 Datenpunkte pro Linienbreite, um Messfehler und Schwankungen auszuschließen. Wir druckten und analysierten insgesamt drei Modelle auf zwei verschiedenen Druckern.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse zeigen, dass der Form 2 für Strukturen ab 150 µm dieselbe ideale und tatsächliche XY-Auflösung aufweist

Bei abnehmender Linienbreite des Druckmodells von 200 auf 150 µm liegen die Idealwerte innerhalb des 95-%-Konfidenzintervalls des Messwerts. Je mehr die vorgesehenen Linienbreiten unter 150 µm abfallen, desto erheblicher weichen die Messwerte vom Idealwert ab. Das bedeutet, dass der Drucker zuverlässig XY-Strukturen ab 150 µm Größe erzeugen kann, was in etwa der Dicke eines menschlichen Haars entspricht.

Die minimale Strukturgröße des Form 2 auf der XY-Ebene liegt bei etwa 150 µm, also um nur 10 µm höher als seine Laserspotgröße von 140 µm.

Ausgehend von unseren Messungen liegt die minimale Strukturgröße des Form 2 auf der XY-Ebene bei etwa 150 µm, also um nur 10 µm höher als seine Laserspotgröße von 140 µm. Die minimale Strukturgröße kann niemals kleiner als die Laserspotgröße sein, und dieser Wert wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst: Laserrefraktion, mikroskopische Verunreinigungen, chemische Zusammensetzung des Kunstharzes u. v. m. Berücksichtigt man das Gesamtökosystem des Druckers, ist eine Differenz von 10 µm äußerst gering. Die offiziell ausgewiesene Auflösung bestätigt sich in der Praxis nicht bei allen 3D-Druckern, daher sollte man vor der Auswahl eines Systems gründlich recherchieren.

Wenn Ihre Anwendung Druckergebnisse mit hoher Detailgenauigkeit erfordert, suchen Sie nach einem Drucker, dessen XY-Auflösung nicht nur durch einen Zahlenwert angegeben, sondern durch messbare Daten bestätigt wird.

Wissenswertes über Z-Auflösung

In Datenblättern von 3D-Druckern erscheint ein Wert häufiger als jeder andere: die Z-Auflösung. Die Z-Auflösung, die auch als Schichthöhe bezeichnet wird, war die erste Spezifikation, mit der man 3D-Drucker anfänglich qualitativ voneinander unterscheiden konnte. Für die ersten Modelle stellte eine Schichthöhe von 1 mm noch eine große Herausforderung dar. Dagegen gibt es heute FDM-Drucker, die Schichthöhen unter 0,1 mm erreichen, während SLA-Geräte sogar noch präziser sind.

Der SLA-3D-Drucker Form 2 unterstützt heute bei allen Kunstharzen Schichthöhen von 100 und 50 µm. Mit dem transparenten, grauen und gussfähigen Kunstharz lassen sich sogar Z-Auflösungen bis zu 25 µm realisieren. Diese Auswahl an Schichthöhen ermöglicht ein ideales Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Auflösung. Die wichtigste Frage, die sich hierbei stellt, ist: Welche Schichthöhe ist für Ihre Druckanwendung die beste?

Sind dünnere Schichten immer besser?

Eine hohe Auflösung von 3D-Drucken kann auch gewisse Nachteile mit sich bringen. Für dünnere Schichten muss der Drucker die Druckvorgänge häufiger wiederholen, was wiederum mehr Zeit in Anspruch nimmt: Wird mit 25 µm anstelle von 100 µm gedruckt, erhöht sich die Druckdauer um das Vierfache. Häufigere Wiederholungen können auch mit zusätzlichen Fehlerrisiken verbunden sein. So wird beispielsweise selbst bei einer Erfolgsquote von 99,99 % pro Schicht durch Vervierfachung der Auflösung die Wahrscheinlichkeit des Druckerfolgs von 90 % auf 67 % reduziert, wenn man davon ausgeht, dass eine fehlgeschlagene Schicht das Fehlschlagen des gesamten Drucks nach sich zieht.

Dünnere Schichten gehen mit mehr Zeitaufwand, Artefakten und Fehlern einher

Gewährleisten dünnere Schichten bessere Druckergebnisse? Nicht unbedingt. Es hängt vom jeweiligen Druckmodell und der XY-Auflösung des Druckers ab. Dünnere Schichten gehen im Allgemeinen mit mehr Zeitaufwand, Artefakten und Fehlern einher. In einigen Fällen lassen sich mit niedrigeren Auflösungen (d. h. dickeren Schichten) sogar bessere Druckergebnisse erzielen.

Wann ist von dünneren Schichten abzuraten?

Dünnere Schichten sind zumeist mit glatteren Übergängen in der Diagonalen verbunden. Das verleitet viele Anwender zur Verallgemeinerung, sodass sie zu hohe Erwartungen in die Z-Auflösung setzen. Aber wie sieht es bei Modellen aus, die in erster Linie aus vertikalen und horizontalen Kanten mit 90-Grad-Winkeln und wenigen Diagonalen bestehen? In diesen Fällen wird die Modellqualität nicht durch zusätzliche Schichten verbessert.

Das Problem wird verstärkt, wenn der jeweilige Drucker keine perfekte XY-Auflösung bietet und bei der Erzeugung der äußeren Kanten „über den Rand hinweg malt“. Hier gehen zusätzliche Schichten mit mehr Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche einher. Die Z-Auflösung ist zwar höher, aber die Modellqualität leidet in diesem Fall erheblich.

Wann sollte man eine höhere Z-Auflösung wählen?

Trotz alledem gibt es Situationen, in denen eine höhere Z-Auflösung empfehlenswert ist. Bei einem Drucker mit guter XY-Auflösung und einem Modell mit sehr feinen Details und vielen diagonalen Kanten kann durch Verringerung der Schichthöhe ein weitaus besseres Ergebnis erzielt werden. Außerdem kann bei einem niedrigen Modell (maximal 200 Schichten) durch höhere Z-Achsen-Auflösung die Qualität wirklich verbessert werden.

Gewissen Designs kommt eine höhere Z-Auflösung zugute: z. B. organische Formen, Rundbögen, kleine Prägungen und filigrane Gravuren.

Ein kleines, kompliziertes Modell mit abgerundeten Bögen erfordert eine höhere Z-Auflösung. Dieser Flügel wurde auf dem SLA-3D-Drucker Form 3 gedruckt.