Entmystifizierung der technischen Spezifikationen von 3D-Druckern

Dieser Beitrag wurde von Jon Bryant geschrieben, Customer Development Team Lead bei Formlabs. Er vermittelt uns seine Erkenntnisse zur besseren Bewertung von 3D-Druckerlösungen aus der Zusammenarbeit mit hunderten Fachleuten aus der Branche.

Als die 3D-Druckbranche 2014 durch die Decke ging, tauchten zahlreiche neue Unternehmen auf, die sich als nächste Revolution des 3D-Drucks sahen. Jede Woche schoss ein neues professionelles 3D-Druckunternehmen aus dem Boden – und jedes bewarb ein Produkt mit einer „neuen“ Eigenschaft oder einer „einzigartigen“ Spezifikation.

Selbstverständlich erregten diese Neuheiten die Aufmerksamkeit von Verbrauchern und Gewerbekunden. Mit jeder neuen Produkteinführung interessierten sich immer mehr Menschen für die Anwendungen des 3D-Drucks, besonders in der Industrietechnik und der Prototypenfertigung von Designs. Mit dem wachsenden Interesse wuchs allerdings auch der inhaltsleere Marketingjargon in Spezifikationsangaben professioneller 3D-Drucker.

Was fällt Ihnen daran auf? Für mich sind es die ganzen Großbuchstaben, Zahlen und Klammern. Wenn ich es nicht besser wüsste, würde ich mir diese Informationen ansehen und glauben, ich bräuchte den hervorgehobenen Drucker. Schließlich hat er die besten Spezifikationen und die beeindruckendsten (wenn auch verwirrenden) Zahlen.

Und wo liegt das Problem? Die Tabelle hat nicht wirklich viel Aussagekraft.

Wenn ich einen professionellen 3D-Drucker kaufen wollte, würde ich mit dieser Tabelle nicht wirklich das verstehen, was wirklich zählt: das Druckergebnis. Dieser Ansatz hilft Kunden nicht dabei, den richtigen 3D-Drucker für ihre Bedürfnisse auszuwählen. Und auf lange Sicht leistet er keinen Beitrag zum Wachstum der professionellen 3D-Druckbranche.

Dieser Beitrag soll keine supertechnische Aufgliederung aller existierenden 3D-Druckerspezifikationen sein. Es ist vielmehr mein Ziel, zu erläutern, was einige häufig genannte technische Daten von 3D-Druckern wirklich bedeuten, und Unternehmen zu vermitteln, worauf sie tatsächlich achten sollten.

Fangen wir mit einigen der Spezifikationen aus der Tabelle an:

Die XY-Auflösung ist die am meisten diskutierte Spezifikation bei Stereolithografie (SLA) 3D-Druckern. Häufig ist sie auch die sinnloseste.

Für gewöhnlich wird die XY-Auflösung verwendet, um die Details oder Merkmale eines Teils zu beschreiben. In der Tabelle oben ist die XY-Auflösung dieses Digital Light Processing (DLP) SLA-Druckers von 25 bis 80 Mikrometern wirklich beeindruckend, doch was sagen diese Zahlen tatsächlich aus?

Höchstwahrscheinlich ist es eigentlich die Auflösung des Projektors (darum der variable Bereich). Die Zahl sagt uns längst nicht alles. Letztlich gibt es zahlreiche Variablen, die die Leistung eines Druckers beeinflussen können. Indem man nur die XY-Auflösung betrachtet, wird man zum Glauben verleitet, dass ein Verhältnis von 1:1 zwischen der Pixelgröße des Projektors und dem gehärteten Kunstharz des Teils besteht.

Jedoch handelt es sich dabei um eine Fehlannahme: Das Material selbst, der Druckprozess, die verwendete Software oder zahlreiche andere Variablen werden nicht berücksichtigt. (Professionelle 3D-Drucker bieten über 100 verschiedene Einstellungen, die die Druckqualität beeinflussen.) Darum sagt uns diese Spezifikation nichts über die Druckergebnisse dieses Geräts.

Die Schichtdicke wird für gewöhnlich dazu verwendet, die Oberflächengüte eines Teils zu beschreiben. Wenngleich geringe Schichthöhen häufig bessere Schichdicke ergeben, ist das Problem, dass die Rauheit einer Oberfläche im Verhältnis zur Schichthöhe nicht einheitlich ist.

Um dies zu veranschaulichen, habe ich einige Teile auf dem Form 2 gedruckt. So will ich zeigen, dass die Beziehung zwischen der Schichtdicke und der Oberflächengüte nicht das ist, was man erwartet. Nachfolgend zwei Ringe – einer aus Castable Resin, der andere aus Black Resin. Der Ring aus Castable Resin hat eine geringfügig glattere Oberfläche und das Mikro-Pavé ist etwas schärfer.

Der Haken bei der Sache? Der Ring aus Castable Resin wurde mit 50 Mikrometer Schichthöhe gedruckt, der Ring aus Black Resin hingegen mit 25 Mikrometern.

Dass der Ring aus Castable Resin mit 50 Mikrometern besser aussieht, liegt daran, dass das Kunstharz konzipiert wurde, um bei 50 Mikrometern die besten Ergebnisse zu liefern. Auch hat das Formlabs-Team die Druck- bzw. Materialeinstellungen des Form 2 so tachiert, dass die besten Ergebnisse für den Guss erzielt werden.

Manche Unternehmen geben statt der Schichthöhe die Z-Achsenauflösung an, die genauso aussagekräftig ist wie die XY-Auflösung, da sie sich auf die Entfernung bezieht, die der Z-Achsenmotor mechanisch verfahren kann.

Formlabs hat vor kurzem OpenFL eingeführt, womit Forscher Zugriff auf eine API erhalten, die ihnen mehr Kontrolle über den Form 1+ gibt. Mit OpenFL ist der kleinste Z-Achsenschritt des Form 1+ 2,5 µm. Diesen Wert werden Sie so nicht auf der Formlabs Website finden. Wir haben diese Informationen nicht angegeben, da es sich um einen Maximalwert des Motors handelt, nicht um die Art von Schicht, die gedruckt werden kann.

Das Fazit: Nur weil ein Druckerhersteller eine Schichthöhe von X angibt, muss die erzielte Oberflächengüte nicht besser sein.

Die Maximalgeschwindigkeit ist schwer zu quantifizieren, besonders bei verschiedenen Druckern. Auch hier verfügen wir nicht über ausreichend Informationen, anhand derer wir beurteilen könnten, was die Drucker bei der Teileherstellung wirklich leisten. Nicht nur die Standardvariablen haben einen Einfluss auf die Druckzeit, sondern auch Faktoren wie Geometrie und Ausrichtung des Teils.

Beispielsweise braucht ein höheres Teil mehr Zeit als ein Teil, das näher an der Konstruktionsplattform ausgerichtet ist, da mehr Schichten gedruckt werden müssen. Auch die Art und Weise, wie ein Objekt ausgerichtet und gestützt ist, beeinflusst die Druckzeit.

Ein häufiger Maßstab ist die Geschwindigkeit, mit der ein Drucker einen Quader mit einer Seitenlänge von einem Zoll druckt. Hier stellt sich jedoch das Problem, dass das Beispiel sehr spezifisch ist. Wenn Sie nicht gerade Würfel herstellen, sind solche Quader nicht besonders geeignet, um die Druckdauer des Teils zu bestimmen.

Wo soll ich nur anfangen? Entscheidungen im Leben wären so viel einfacher, wenn „gut“ oder „schlecht“ die einzigen Bewertungskriterien bei Spezifikationen wären. Die Oberflächenbeschaffenheit habe ich bereits mit Hinblick auf die Schichtdicke angesprochen, doch eines ist hierbei zu bedenken: Es gibt keine wirkliche Spezifikation für Oberflächenbeschaffenheit. Die Oberflächenbeschaffenheit kann sich abhängig von der Geometrie (geschwungene gegenüber geraden Oberflächen) und der Ausrichtung ändern. Die Oberflächenergebnisse von Druckern könnte nur miteinander verglichen werden, wenn alle 3D-Druckunternehmen Ergebnisse eines genormten Teils veröffentlichen würden, die von einem genormten Profilometer stammen. Das wird in absehbarer Zeit wohl kaum passieren.

Die Genauigkeit ist nicht Teil der Tabelle in der Einleitung; dennoch ist sie eine Größe, die einige 3D-Druckunternehmen in letzter Zeit veröffentlicht haben. Der Fehler, den viele Käufer von 3D-Druckern begehen, ist die Annahme, die XY-Auflösung oder Schichtdicke würde die Genauigkeit des fertigen Teils bestimmen.

Tatsächlich ist die allgemeine Genauigkeit schwer zu bestimmen, vor allem weil sie von Länge, Geometrie und Ausrichtung beeinflusst werden kann. Hier ein Beispiel einer Genauigkeitsangabe für einen großen Industriedrucker:

Auf den ersten Blick scheint es, dass alle Teile im Bereich von 25 bis 50 Mikrometern liegen. Doch die Fußnote relativiert das mit so gut wie jedem Aspekt, der bei der Fertigung eines Teils eine Rolle spielt.

Ich möchte nicht bei Ihnen den bleibenden Eindruck erwecken, dass unsere gesamte Branche Sie täuscht.

Tatsächlich fehlen der 3D-Druckbranche allgemeine Standardspezifikationen, die zutreffend beschreiben, was sie von einem 3D-Drucker erwarten können. Selbst bei etablierter Technologie liefern Spezifikationen kein vollständiges Bild. Ich habe Rechengeschwindigkeitstests gesehen, bei denen ein Windows-Computer mit höheren Spezifikationen schlechter abschneidet als ein Mac mit niedrigeren Spezifikationen.

Leistung hängt tatsächlich von Hardware, Betriebssystem, Anwendung und mehreren anderen Faktoren ab.

Dennoch ist nicht alle Hoffnung verloren. Hier vier Tipps, die Ihnen dabei helfen werden, verschiedene 3D-Drucker effektiv zu bewerten:

Sprechen Sie mit dem Unternehmen. Sie investieren in etwas, mit dem Sie schneller iterieren und bessere Produkte produzieren. Die beste Möglichkeit, die Technologie eines Unternehmens und die Funktionsweise seiner Produkte besser zu verstehen, ist die Kontaktaufnahme mit dem Team.

Fordern Sie einen Probedruck an. Wir haben gesehen, dass 3D-Druckerspezifikationen keine großartige Methode sind, um die Leistung eines Druckers zu beurteilen. Um zu erfahren, ob ein spezifischer Drucker Ihre Bedürfnisse erfüllt, bitten Sie den Hersteller, Ihnen einen Probedruck zu schicken – etwa wie diesen kostenlosen Probedruck von Formlabs. Sobald Sie den Probedruck erhalten haben, bitten Sie das Unternehmen um weitere Informationen. Zum Beispiel:

• Wie lange hat es gedauert, ihn zu drucken?
• Wie viel Material wurde verbraucht?
• Was ist die Schichtdicke?

Wenn Sie das ein paar Mal bei einigen Unternehmen versuchen, werden Sie merken, dass die Oberflächenbeschaffenheit bei verschiedenen Druckern variieren kann, selbst bei gleicher Schichthöhe.

Fordern Sie einen individuellen Probedruck an. Nicht alle Unternehmen bieten dies an, doch Fragen kostet nichts. Wenn Ihr eigenes Design gedruckt wird, verstehen Sie besser, was Sie vom Gerät erwarten können. Wenn die meisten Ihrer Teile als geistiges Eigentum geschützt sind, versuchen Sie ein Teil mit ähnlichen Eigenschaften, damit Sie sich keine Sorgen um Geheimhaltung machen müssen.

Wenn Sie ein Design zum individuellen Probedruck einsenden, stellen Sie sicher, dass es repräsentativ für Ihr Unternehmen oder Ihren Anwendungsfall ist. Bei den meisten Prototypenanwendungen empfehle ich für gewöhnlich, ein Design einzusenden, das etwa 80 Prozent Ihres Geschäfts repräsentiert. Wenn Sie ein kompliziertes Teil einsenden, das nur einen Bruchteil Ihrer Drucke ausmacht, kann das dazu führen, dass Sie eine Lösung kaufen, die für Ihre Arbeit nicht wirklich Sinn ergibt.

Suchen Sie nach Design-Leitfäden. Die meisten 3D-Druckerhersteller haben Designleitfäden veröffentlicht, die den Kunden die Bedienung der Drucker und den Entwurf von Modellen erleichtern. Leitfäden wie der Formlabs-Design-Leitfaden liefern Spezifikationen für verschiedene Arten von Eigenschaften.