SLA-3D-Druck – Wie sich die Pixelgröße auf Genauigkeit, Merkmalsgröße und Oberflächengüte auswirkt

Die Auflösung ist beim 3D-Druck ein Thema, das viel diskutiert, aber häufig missverstanden wird. Die Vielfalt der 3D-Drucktechnologien und die wachsende Zahl der Hersteller haben die Angelegenheit noch komplizierter gemacht. Durch die Einführung der maskierten Stereolithographie (MSLA), bei der das Licht mit einem LCD-Bildschirm selektiv maskiert wird, um nur die vorgesehenen Bereiche des flüssigen Kunstharzes zu belichten, erhält die Debatte rund um die Auflösung eine neue Ebene. MSLA-3D-Drucker erfreuen sich großer Beliebtheit, denn sie sind in der Lage, hochwertige Teile in kürzester Zeit zu drucken.

Die Auflösung von LCD-Bildschirmen wird in der Regel anhand der Anzahl der Pixel auf ihrer Längsachse gemessen – eine Kennzahl, die den meisten von digitalen Bildschirmen in Telefonen, Fernsehern und Tablets vertraut ist. Dabei wird nicht nur die Pixelanzahl hervorgehoben, sondern auch die Größe der einzelnen Pixel – mit der Begründung: je kleiner die Pixel, desto höher die Auflösung.

Trotz des Fokus auf die Anzahl der Pixel oder die Größe der einzelnen Pixel zählen für die meisten Menschen beim 3D-Druck vor allem die greifbaren Ergebnisse: Oberflächengüte, Maßgenauigkeit und die minimale Strukturgröße. Die Pixelgröße ist jedoch nur einer von vielen Faktoren, die darauf Einfluss haben: Das Druckergebnis hängt von einer ganzen Reihe von Gesichtspunkten ab, etwa Materialeigenschaften, optischen Einstellungen, mechanischer Konsistenz und mehr.

Anhand des Drucks und der Analyse mehrerer Teile aus dem Form 4 (Desktop-MSLA, 50 µm Pixelgröße, 10" 4K-Bildschirm), Form 3+ (laserbasierte SLA mit 85 µm Laserspotgröße), Drucker C (Desktop-MSLA, 28 µm Pixelgröße, 9" 8K-Bildschirm) und Drucker D (Desktop-MSLA, 19 x 24 µm Pixelgröße, 9" 12K-Bildschirm) werden wir demonstrieren, dass die gängige Kennzahl der Auflösung keinen direkte Effekt auf das Druckergebnis hat.

Obwohl die individuelle Pixelgröße beim Form 4 größer ist als bei einigen Konkurrenten, zeigen die Testergebnisse, dass der Drucker im Vergleich zu MSLA-3D-Druckern mit kleineren Pixelgrößen eine vergleichbare, wenn nicht sogar bessere Oberflächengüte, Maßgenauigkeit und minimale Strukturgröße erreicht. Indem unser Team das ideale Gleichgewicht erarbeitete, war es außerdem in der Lage, den Form 4 im Hinblick auf andere Kriterien zu optimieren, die für Kunden entscheidend sind – schnellere Druckzeiten, höhere Zuverlässigkeit und eine wesentlich längere Lebensdauer der Komponenten.

Das Design des Druckers, einschließlich der Pixelgröße als eines von vielen Charakteristika, hat Auswirkungen auf drei wichtige Eigenschaften der Druckteile. Diese Eigenschaften – Oberflächenqualität, minimale Strukturgröße und Maßgenauigkeit – sind messbar und standardisiert, aber da sie durch eine komplexe Kombination von Prozessen und Komponenten beeinflusst werden, sind sie schwieriger zu erfassen. Eine etwas größere Pixelgröße wirkt sich weniger stark aus als die Qualität, die Konsistenz und die Uniformität des Lichts, welches das Pixel abdeckt oder durchlässt.

Jede dieser Eigenschaften kann durch nahezu jeden Schlüsselaspekt des Systems, der Optik, der Materialien und des Druckprozesses und seiner Parameter erheblich beeinflusst werden. Es ist nicht möglich, einzelne Eingangsparameter direkt mit bestimmten Resultaten gleichzusetzen – außer als Grenzwert.

Die Pixel- oder Laserspotgröße stellt beispielsweise eine Untergrenze für die Größe positiver Merkmale in der horizontalen Ebene dar (d. h. es kann kein positives Merkmal geben, das kleiner als die Pixel- oder Spotgröße ist). In der Regel liegt die minimale Strukturgröße jedoch weit über diesem Grenzwert (oft weit über 100 µm), was auf mehrere Faktoren zurückzuführen ist, wie z. B. die Abzugskräfte.

Kunstharz-3D-Drucker verfügen entweder über einen Laser (laserbasierte SLA), einen digitalen Lichtprojektor (DLP) oder eine Lichtverarbeitungseinheit (meist ein LCD-Bildschirm), die eine Lichtquelle wie etwa eine Reihe LEDs selektiv maskiert (MSLA).

Laserbasierte SLA-3D-Drucker haben in der Regel eine sehr hohe Auflösung, da der Laser in der XY-Ebene präzise gesteuert werden kann und eine kleine Spotgröße hat. Diese Eigenschaften sind jedoch nur ein Faktor – die tatsächliche minimale Merkmalsgröße wird von mehreren weiteren Faktoren beeinflusst, sodass die Druckergebnisse mit professionellen MSLA-Druckern ohne Laser vergleichbar sind. Außerdem haben SLA-Drucker mit einem Laser als Lichtquelle oft längere Druckzeiten, weil der Querschnitt des Teils über die gesamte Schicht nachgezeichnet werden muss.

Beim 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.

Oberflächenqualität, Merkmalsgröße und Genauigkeit werden von allen Komponenten des 3D-Druckers und des Druckprozesses beeinflusst. Einzelne Faktoren wie die Pixelgröße können theoretische Untergrenzen festlegen, die in realistischen Situationen aber nicht vorkommen. Zum Beispiel könnte eine Pixel- oder Laserspotgröße von 80 Mikrometern theoretisch die Mindestgröße zur Aushärtung einzelner positiver Merkmale (wie des Durchmessers eines zylindrischen Stifts) festlegen, doch die auf das Teil wirkenden Abzugskräfte wären zu stark und würden zu einem Fehldruck führen. Deshalb liegt der tatsächliche Mindestdurchmesser für solche Stifte bei etwa 500 Mikrometern.

Bei MSLA-3D-Druckern, die das Licht mithilfe von LCD-Bildschirmen maskieren, ist das tatsächliche, auf das Kunstharz projizierte Bild in der Regel deutlich größer und diffuser als das ursprüngliche Pixel. Dieser Effekt wird als Punktspreizfunktion (PSF) bezeichnet: die Art und Weise, wie ein ursprüngliches oder idealisiertes Bild durch den Projektionsprozess unscharf wird. Bei MSLA-Druckern ist also die Pixelgröße weniger entscheidend als die Leistungsverteilung und die Form des auf das Kunstharz treffenden Lichts.

Vergleicht man die PSF des Form 4 (bei dem das Licht durch einen aus 50 µm großen Pixeln bestehenden LCD-Bildschirm projiziert wird) mit dem Form 3+ (bei dem das Licht von einem Laser mit einer Spotgröße von 80 µm stammt), so zeigt sich, dass der Form 4 konzentriertes, direktes Licht einsetzt, wobei die höchste Energiedichte in der Mitte des Pixels gebündelt ist.

Obwohl Druckerhersteller die Pixelgröße umstandslos als das A und O der 3D-Druckauflösung anpreisen, ist die Wahrheit (und der tatsächliche Effekt) etwas komplizierter.

Die Auflösung hängt nicht nur von der Größe und Form des Lichts ab, das einen LCD-Bildschirm passiert oder von einem Laser oder Lichtprojektor ausgestrahlt wird. Sie ist auch von der PSF dieses Lichts, den Druckprozessen, der mechanischen Konsistenz und den optischen Eigenschaften des Kunstharzes abhängig. Die Auflösung sollte als nur ein Faktor betrachtet werden, wenn es um die erreichbare Oberflächengüte, Merkmalsgröße und Maßgenauigkeit geht. Diese Informationen und Perspektiven können bei der Entscheidung helfen, welcher Drucker am besten für Ihre spezifischen Bedürfnisse geeignet ist. 

Bei der Entwicklung der Light Processing Unit des Form 4 hat Formlabs die Wechselwirkung zwischen Pixelgröße, Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Komponenten sorgfältig abgewogen. Da die Pixelgröße des LCD-Bildschirms keinen spürbaren Einfluss auf die drei wichtigsten Charakteristika der Auflösung hat, bedeutet eine höhere Pixelgröße keinen Kompromiss – sondern eine Investition in Leistung und Geschwindigkeit.

Um mehr über die nächste Generation des SLA-3D-Drucks zu erfahren, lernen Sie den Form 4 kennen. Sind Sie neugierig auf die Oberflächenqualität, die minimale Strukturgröße und die Maßgenauigkeit, die mit der LFD-Technologie des Form 4 möglich sind? Dann fordern Sie einen kostenlosen Probedruck an, der an Ihren Arbeitsplatz gesendet wird.