Die schnellsten 3D-Drucker: FDM-, SLA- und SLS-3D-Druck im Geschwindigkeitsvergleich

Der Begriff Stereolithografie bezeichnet mehrere kunstharzbasierte 3D-Druckverfahren, bei denen flüssiges Kunstharz mithilfe von Licht ausgehärtet wird, meist durch einen Tank mit transparentem Boden, wobei die Teile kopfüber Schicht für Schicht auf eine Bauplattform gedruckt werden, die in den Tank abgesenkt wird. Zu diesen Verfahren zählen: Laser-Stereolithografie (SLA), Digital Light Processing (DLP) sowie Maskierte Stereolithografie (MSLA), auch bekannt als LCD-3D-Druck.

Die typische Druckgeschwindigkeit unterscheidet sich zwischen den verschiedenen Kunstharz-3D-Druckverfahren, wobei der MSLA- und DLP-Druck am schnellsten sind. Neueste MSLA-3D-Drucker wie der Form 4 und Form 4L von Formlabs nutzen eine Kombination aus leistungsstarkem Drucksystem und fortschrittlichem optischen System, um die einzelnen Schichten in wenigen Sekunden auszuhärten.

• Die SLA-Druckgeschwindigkeit kann für einzelne Teile und voll gepackte Fertigungsvolumen ähnlich ausfallen. Während der Laser in laserbasierten SLA-Druckern eine große Fläche überqueren muss, um das Harz auszuhärten, härten MSLA- und DLP-Drucker jede Schicht fast augenblicklich aus. Da ganze Schichten auf einmal ausgehärtet werden, gibt es fast keinen Geschwindigkeitsunterschied zwischen Druckaufträgen mit vielen Teilen und solchen, die nur ein Teil enthalten. Das ermöglicht einen höheren Durchsatz.
• Die SLA-Druckgeschwindigkeit ist von den Druckerkomponenten abhängig. Die Qualität und Leistung des Drucksystems und des optischen Systems wirken sich darauf aus, wie viel Licht den Tank erreicht, und haben damit einen direkten Effekt auf die Druckzeit. Auch andere Merkmale sorgen für eine Verkürzung der Druckzeit – beim Form 4 etwa der Harztank mit doppelschichtigem flexiblem Film, die Ablösetextur, die beschleunigte, automatisierte Harzabgabe und die schnelle Harzerhitzung.
• SLA-Drucke erfordern zwar Nachbearbeitung, diese lässt sich jedoch größtenteils automatisieren. Nach dem Druck müssen SLA-Teile in Alkohol oder Ether gewaschen werden, um überschüssiges Kunstharz zu entfernen. Einige Teile erfordern zudem eine Nachhärtung, um optimale Materialeigenschaften zu erreichen. Beide Schritte können mit modernen Nachbearbeitungslösungen automatisiert werden.

Der Form 4 und der Form 4L wurden entwickelt, um Teile mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 mm pro Stunde herzustellen. Dafür kommen speziell entwickelte Materialien wie Fast Model Resin zum Einsatz. Die meisten Drucke mit dem Form 4 sind in weniger als zwei Stunden fertig, ganz unabhängig vom verwendeten Material. Das erlaubt mehrere Designiterationen am selben Tag. Und auch mit dem Form 4L sind die meisten Drucke in weniger als sechs Stunden abgeschlossen. Selbst Drucke, die die volle Höhe des Druckers erreichen, oder Großserien, die die gesamte Konstruktionsplattform mit Teilen vollpacken, werden in weniger als einem Tag gedruckt. Das eröffnet gleichzeitige Iterationen großer Teile oder die Produktion in hohen Stückzahlen.

Alle 3D-Druckverfahren sind im Laufe der Zeit schneller geworden, aber keines kann mit den Fortschritten beim Kunstharzdruck mithalten.Wenn Sie diese Geschwindigkeit Tag für Tag und Woche für Woche addieren, sind die Durchsatzvorteile außergewöhnlich. Der Form 4 und Form 4L halten jetzt mit Hochdurchsatz-Technologien wie dem Spritzguss mit. Der Druck voller Konstruktionsvolumen im Laufe von wenigen Stunden, mehrmals am Tag, kann die Produktion einer Spritzgussmaschine mit mittlerem Volumen erreichen – ohne die hohen Anfangskosten für die Produktionswerkzeuge.

SLS-3D-Drucker sind schneller als FDM-3D-Drucker, weil ihre Hochleistungslaser die einzelnen Pulverschichten schneller abtasten, als sich eine Extruderdüse über ein FDM-Druckbett bewegen kann. Allerdings ist die Laserbewegung dennoch langsamer als das Aufleuchten der Lichtquelle, die bei MSLA- oder DLP-Drucktechnologien verwendet wird.

Obwohl sie streng genommen nicht in die Druckzeit einfließt, muss beim SLS-3D-Druck auch die Abkühlzeit der Konstruktionskammer berücksichtigt werden. Da der Laser das Pulver bei extrem hoher Temperatur sintert, muss die Kammer abkühlen, bevor sie nachbearbeitet werden kann, was zu einer längeren Gesamtvorlaufzeit für die Teile führen kann.

Für die Produktion ist diese kombinierte Druck- und Nachbearbeitungszeit für SLS-Teile jedoch meist nicht von Belang. Obwohl die Druckgeschwindigkeit für einzelne Teile länger ausfallen kann als bei anderen Technologien, sorgen das größere Fertigungsvolumens und das selbststützende Druckbett, das die Verschachtelung von Teilen ermöglicht, insgesamt für einen hervorragenden Durchsatz beim SLS-3D-Druck.

So kann zum Beispiel ein vollgepackter Druckauftrag auf dem Fuse 1+ 30W über Nacht abgeschlossen werden, während die Abkühlung tagsüber außerhalb des Druckers erfolgt, was die Bereitstellung von Teilen am selben Tag und einen 24/7-Durchsatz ermöglicht.

• Die Druckgeschwindigkeit beim SLS-3D-Druck hängt von der Teilgröße ab. Bei Teilen mit höheren Abmessungen entlang der X/Y-Achse dauert der Druckvorgang länger, da der Laser einen größeren Bereich abtasten muss. Durch die Optimierung des Laserpfads auf dem Fuse 1+ 30W konnte Formlabs die Druckzeiten um bis zu 25 % verringern.
• Die SLS-Druckgeschwindigkeit ist von den Druckerkomponenten abhängig. Die Druckgeschwindigkeit hängt stark von der Laserleistung ab. Der Fuse 1+ 30W verwendet beispielsweise einen leistungsstarken 30-Watt-Laser, um einen hohen Durchsatz zu erzielen. Ein typischer Druckauftrag beansprucht nur 7 Stunden und Drucke mit 95%iger Packdichte werden in 14 Stunden abgeschlossen.
• SLS-Teile erfordern zwar eine Nachbearbeitung, aber diese ist sehr effizient. Die Nachbearbeitung kann recht schnell erledigt sein, denn Geräte wie der Fuse Sift und Fuse Blast automatisieren einen Großteil davon und es sind keine Stützstrukturen zu entfernen. Das erlaubt es Ihnen, in nur 15 Minuten von frisch gedruckten zu professionell fertiggestellten Teilen überzugehen.

Obwohl der SLS-3D-Druck nicht die beste Wahl für die schnellstmögliche Herstellung einzelner Teile darstellt, ist er dank seiner Kombination aus geringen Kosten pro Teil, hoher Produktivität, effizienten Nachbearbeitung und bewährten Materialien eine beliebte Wahl für Hersteller. Selektives Lasersintern stellt auch eine kosteneffiziente Alternative zum Spritzguss bei der Kleinserienfertigung und beim Bridge Manufacturing dar.

Da jede 3D-Drucktechnologie Teile schichtweise fertigt, dauert der Druck umso länger, je größer das Druckteil entlang der Z-Achse ist.

Der Druck breiterer und längerer Druckteile oder mehrerer Teile entlang der X- und Y-Achse verlängert die Druckzeit allerdings nicht unbedingt. 3D-Druckverfahren, bei denen ganze Schichten auf einmal ausgehärtet werden (MSLA, DLP), drucken große Teile und vollgepackte Druckaufträge schneller als Technologien, bei denen eine Düse längere Strecken zurücklegen muss (FDM) oder Schichten einzeln nachgezeichnet werden (laserbasierte SLA, SLS).

Um zu verstehen, wie die Auflösung von 3D-Drucken gemessen wird, insbesondere bei einer Vielzahl von Technologien, müssen Druckteile auf drei Achsen analysiert werden: Z (vertikal) und X/Y (horizontal). Die Auflösung der Z-Achse wird stark von der Schichthöhe beeinflusst, während die X/Y-Auflösung von einer Reihe verschiedener Faktoren abhängt, die von der verwendeten 3D-Drucktechnologie bestimmt werden.

Die Schichthöhe (Z-Achsen-Auflösung) beeinflusst die Geschwindigkeit bei allen Arten von 3D-Druckern. Wenn ein Druck aus dickeren Schichten besteht, müssen weniger Schichten gedruckt werden, was die Gesamtdruckzeit verkürzt.

Bei FDM-3D-Druckern besteht ein erheblicher Kompromiss zwischen Druckzeit und Auflösung. Bei dickeren Schichten werden insgesamt weniger Schichten gedruckt, was die Druckzeit verkürzt, aber auch zu stärker sichtbaren Schichtlinien und einer weniger glatten Oberfläche führt.

Einige FDM-Drucker bieten die Möglichkeit, die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der der Extruder Filament aufträgt oder sich über den Fertigungsbereich bewegt. Darüber hinaus lassen sich auch größere Düsen installieren, die in kürzerer Zeit mehr Material auftragen können, dabei aber die Auflösung in allen Achsen verringern. Jede dieser Optionen führt zu einer geringeren Genauigkeit und Auflösung, einer schlechteren Oberflächengüte und anderen unerwünschten Resultaten.

SLA-3D-Drucker bieten unabhängig von der Schichthöhe eine hohe Auflösung. Kunstharzdrucker können das Licht äußerst präzise auf das flüssige Harz lenken, was selbst beim Druck dickerer Schichten zu Teilen mit hervorragender Oberflächenqualität führt. Zwar sind die Schichtlinien auf gekrümmten Oberflächen etwas deutlicher sichtbar, bei den meisten Teilen gibt es jedoch kaum einen sichtbaren Unterschied zwischen 50 und 100 Mikrometern Schichthöhe, der die Verdopplung der Druckzeit rechtfertigen würde. Die X/Y-Auflösung hängt von der Auflösung des Projektors oder des LCD-Bildschirms bzw. von der Größe des Laserspots und dessen präziser Steuerung ab. Diese Werte werden durch die Hardwarespezifikationen bestimmt und sind in der Regel allen anderen Verfahren überlegen (50 Mikrometer oder weniger).

Ähnlich wie bei SLA ist die Auflösung bei SLS-3D-Druckern für die Druckzeit nicht von Belang. Der in SLS-3D-Druckern verwendete Laser verschmilzt Partikel mit hoher Präzision, und die gedruckten Teile weisen im Allgemeinen keine sichtbaren Schichtlinien auf. Bei den meisten SLS-Druckern lässt sich die Auflösung nicht einmal einstellen – die Z-Auflösung ist nicht anpassbar, während die X/Y-Auflösung durch die Hardwarespezifikationen festgelegt ist.

Die Materialauswahl kann einen messbaren Einfluss auf die Gesamtdruckzeit haben. FDM-, SLA- und SLS-3D-Drucker drucken allesamt mit Polymeren. Allerdings sind das Erhitzen und Extrudieren, das Aushärten und das Sintern sehr unterschiedliche Prozesse.

Bei FDM-3D-Druckern kann die Art des Filaments einen großen Unterschied in Bezug auf die Druckgeschwindigkeit ausmachen. Im Allgemeinen sind leicht druckbare Materialien wie PLA und PETG die schnellsten Druckfilamente. Für technische Materialien wie ABS und Nylon ist die Druckgeschwindigkeit etwas geringer. Flexible Materialien wie TPU müssen hingegen wesentlich langsamer gedruckt werden, um hohe Druckerfolgsraten zu gewährleisten.

Beim Druck mit einem FDM-3D-Drucker lohnt es sich in der Regel, mit einer langsameren Einstellung zu beginnen, um sicherzustellen, dass die ersten Schichten richtig am Druckbett (und aneinander) haften, bevor die Geschwindigkeit erhöht wird. Eine höhere Druckgeschwindigkeit führt eher zu Fehldrucken und einer insgesamt geringeren Druckqualität – die Optimierung der Qualität auf einem schnellen FDM-3D-Drucker erfordert viel Ausprobieren.

Beim SLA-3D-Druck können die Opazität der Harze sowie die Konzentration der vom Hersteller hinzugefügten Fotoinitiatoren und anderer Härtungsmittel die Druckgeschwindigkeit beeinflussen.

Fast Model Resin, das druckschnellste Kunstharz von Formlabs, hat beispielsweise eine höhere Konzentration an Fotoinitiatoren und kann auf dem Form 4 mit einer Geschwindigkeit von über 100 mm pro Stunde gedruckt werden. Dies ermöglicht den Druck kleinerer Modelle in wenigen Minuten und eines voll gepackten Druckauftrags in unter zwei Stunden.

Im Allgemeinen lassen sich transparente Harze etwas schneller drucken, da sie eine größere Aushärtungstiefe haben. Das bedeutet, die Aushärtung jeder Schicht beansprucht weniger Zeit. Außerdem werden hochviskose Kunstharze, etwa glasgefüllte Harze oder die in der Zahnmedizin für Zahnersatz verwendeten Materialien, in der Regel langsamer gedruckt als niedrigviskose Harze. Ähnlich wie bei FDM dauert der Druck flexibler Materialien länger als der starrer Materialien.

Bei SLS-3D-Druckern ist PA 12 das am weitesten verbreitete Material und in der Regel auch das schnellste, doch auch alle anderen Materialien bieten vergleichbare Druckgeschwindigkeiten, selbst die flexiblen.

Auch wenn die Auffassung vorherrscht, dass Komplexität im 3D-Druck kostenlos ist (im Vergleich zu konventionellen Verfahren wie dem Fräsen oder dem Spritzguss), ist dies nicht ganz richtig, wenn es um die Druckgeschwindigkeit geht.

Die Modellkomplexität wirkt sich bei FDM-, laserbasierten SLA- und SLS-3D-Druckern leicht negativ auf die Druckzeiten aus. Das hat einen ähnlichen Grund wie die Tatsache, dass die X/Y-Abmessungen die Druckzeit bei einigen Druckern stärker beeinflussen als bei anderen: Diese Drucker müssen die Geometrie jeder Schicht nachzeichnen, was bei komplexeren Formen länger dauert. Da MSLA- und DLP-Drucker jedoch ganze Schichten auf einmal aushärten, gehen komplexere Teile nicht mit einem langsameren Druck einher.

Der andere, meist entscheidendere Aspekt sind die Stützstrukturen. Sowohl der FDM- als auch der SLA-Druck erfordern häufig Stützstrukturen, um komplexere Teile, z. B. solche mit vielen überhängenden Merkmalen, erfolgreich zu drucken. Nach Abschluss eines Druckauftrags müssen diese entfernt und Unregelmäßigkeiten am fertigen Teil abgeschliffen werden.

_{Die SLA-3D-Drucker von Formlabs erstellen leicht entfernbare Stützstrukturen, was die Nachbearbeitung verkürzt.}

Stützstrukturen verursachen nicht nur zusätzlichen Zeitaufwand bei der Nachbearbeitung und verbrauchen wertvolles Material, sie können auch den Druckvorgang verlängern – insbesondere bei FDM-Druckern und SLA-3D-Druckern mit nur einem Laser.

Beim SLS-3D-Druck sind keine Stützstrukturen nötig, da das ungesinterte Pulver die gedruckten Strukturen an Ort und Stelle hält. Daher müssen beim SLS-Druck kein Pulver und keine Zeit für die Erstellung von Stützstrukturen verschwendet werden.