SLA- vs. PolyJet-3D-Druck (Material Jetting): Ein umfassender Vergleich

Während des Material-Jetting-Verfahrens bewegt sich ein Druckkopf entlang der X- und Y-Achse über die Konstruktionsplattform und schießt Kunstharz (auch Resin genannt) in Tröpfchen auf die Plattform ab. Mit derselben Bewegung härtet der Druckkopf die Tröpfchen auf der Konstruktionsplattform durch ultraviolettes Licht aus. Nachdem die erste Schicht fertiggestellt ist, verschiebt sich die Konstruktionsplattform nach unten, damit der Druckkopf die nächste Schicht verteilen kann. Das gedruckte Teil wächst so immer weiter, bis der Druckvorgang abgeschlossen ist.

Für komplexere Geometrien wie Überhänge schießt der 3D-Drucker ein gelartiges Stützmaterial ab, das im Anschluss entfernt wird. Im Druckkopf können auch mehrere Materialien vermischt werden, um einzigartige Materialeigenschaften und Farben zu erzielen.

PolyJet-3D-Druck gehört unter den additiven Fertigungsverfahren zur Kategorie Material Jetting. Die PolyJet-Technologie wurde von Objet entwickelt, einem später von Stratasys übernommenen Unternehmen. Es sind noch andere Material-Jetting-Drucker auf dem Markt erhältlich, doch unter dem Markennamen PolyJet werden sie ausschließlich von Stratasys verkauft.

Bei den meisten invertierten SLA-3D-Druckern kommt ein Harztank mit durchsichtigem Boden und nicht haftender Oberfläche zum Einsatz. Sie dient als Substrat, an dem das flüssige Kunstharz aushärtet, und von dem neu gebildete Schichten behutsam abgelöst werden können.

Es gibt mehrere Arten von SLA- oder Kunstharz-3D-Druckverfahren, die sich im Wesentlichen durch die Art der Lichtquelle definieren, die zum Härten des Harzes verwendet wird. Das derzeit beliebteste Verfahren ist die maskierte Stereolithografie (MSLA), wobei die Lichtquelle selektiv abgedeckt, also durch einen LCD-Bildschirm maskiert wird.

Der Form 4 und der Form 4L basieren auf dem Drucksystem Low Force Display™ (LFD), einer fortgeschrittenen Form des MSLA-3D-Drucks.

Das Herzstück des LFD-Drucksystems ist die Beleuchtungseinheit, eine leistungsstarke Lichtquelle, die in einer uniformen Flächenprojektion Licht emittiert, das durch ein Linsenfeld in die Light Processing Unit (LPU) 4 gelangt, wo es in der Form der Druckschicht maskiert wird. Sobald das Licht das flüssige Kunstharz im Harztank erreicht, härtet die gesamte belichtete Harzschicht sofort aus. Die Konstruktionsplattform hebt sich dann aus dem Kunstharz und die Z-Achse löst die gedruckte Schicht präzise vom Boden des Harztanks ab.

Einer der größten Unterschiede zwischen SLA- und Material-Jetting-Druckern betrifft den Kostenpunkt. Da die Patente für die SLA-Technologie Ende der 2000er Jahre auszulaufen begannen und SLA-3D-Drucker im kleineren Format für den Desktop auf den Markt kamen, reduzierte sich der Preis von SLA-Druckern um ein Hundertfaches. Heute beginnt die Preisspanne für professionelle SLA-Drucker bei ca. 2500 €, während großformatige Drucker für den Benchtop ab 5000 € erhältlich sind.

Im Gegensatz dazu sind Material-Jetting- und PolyJet-Drucker bedeutend teurer, mit einer Preisspanne von 20 000 bis 500 000 €. Das beinhaltet jedoch erst den Gerätepreis. Die obligatorischen Servicepläne für PolyJet-Drucker können bis zu 20 % des Kaufpreises pro Jahr umfassen – genug, um jedes Jahr eine ganze Flotte SLA-Drucker zu kaufen.

Darüber hinaus sind die Kunstharze für Material-Jetting-3D-Drucker im Allgemeinen zwei- bis dreimal teurer als SLA-Kunstharze. Daraus ergibt sich, dass die Stückkosten für PolyJet-Druckteile um ein Vielfaches höher ausfallen als beim SLA-3D-Druck. Zudem erfordern PolyJet-Drucker mehr Wartungsarbeiten, was den für den Betrieb der Geräte notwendigen Arbeitsaufwand erhöht.

Sind Sie also nicht aufgrund Ihrer spezifischen Anwendung (zum Beispiel vollfarbige Modelle oder mehrfarbige Teile) speziell auf das PolyJet-Verfahren angewiesen, erzielen Sie mit einem SLA-Drucker wahrscheinlich einen höheren ROI.

Da 3D-Druck ein additives Verfahren ist, bringt jede neue Schicht das Risiko von Ungenauigkeiten mit sich, und der Prozess zum Aufbau der Schichten beeinflusst die Präzision, also die Wiederholbarkeit der Genauigkeit der einzelnen Schichten. Die Toleranzen, Genauigkeit und Präzision des 3D-Drucks hängen von vielerlei Faktoren ab: vom 3D-Druckverfahren, dem Material, Software-Einstellungen, Nachbearbeitung und mehr.

Sowohl Material-Jetting- als auch SLA-3D-Drucker zählen zu den genauesten und präzisesten 3D-Druckverfahren und erreichen Toleranzen um ± 0,2 % (Untergrenze: ± 0,1 mm). Dank hochpräziser Lichtquellen lassen sich mit diesen Verfahren filigrane Details abbilden und konsistent hochwertige Ergebnisse erzielen.

Abhängig von der Geometrie des Modells kann der 3D-Druck von Teilen mit dem PolyJet- oder SLA-Verfahren Stützstrukturen erfordern, die auch für die Maßgenauigkeit entscheidend sein können, vor allem im Fall von komplexen Geometrien oder Teilen mit großflächigen und dünnen Wänden.

Beim SLA-3D-Druck werden die Stützstrukturen während der Nachbearbeitung manuell entfernt. Die SLA-Drucker von Formlabs erstellen verbesserte, leicht zu bearbeitende und gebündelte Stützstrukturen, die sich im Handumdrehen lösen und damit Nachbearbeitungszeit einsparen. SLA-Druckteile sind außerdem für ihre glatte Oberflächengüte bekannt, die abhängig vom Material entweder matt oder glänzend sein kann.

Beim 3D-Druck mit PolyJet-Druckern werden die Stützstrukturen bei der Nachbearbeitung mit einem Wasserstrahl abgespült. Durch diesen Arbeitsablauf sind die Druckteile Kräften ausgesetzt, die zum Abbrechen feiner Details oder zum Verbiegen dünner Wände führen können. Auch PolyJet-3D-Drucker können eine matte oder glänzende Oberfläche erzielen. Eine glänzende Oberfläche ist allerdings nur auf Flächen möglich, die kein Stützmaterial erfordern.

Einer der größten Unterschiede zwischen PolyJet und SLA liegt im Materialangebot, das auch die möglichen Anwendungsbereiche der Drucker bestimmt.

Abhängig vom Druckermodell unterstützen die meisten Material-Jetting- und PolyJet-3D-Drucker etwa fünf bis zehn verschiedene Materialien. Diese reichen von Standardmaterialien für die Prototypenfertigung bis zu Materialien in verschiedenen Farben, durchsichtigen oder biokompatiblen Materialien. PolyJet-Drucker des höheren Preissegments unterstützen auch den Druck mit mehreren Materialien zugleich, wodurch neuartige Anwendungen wie der Druck von Prototypen in mehreren Farben oder aus mehreren verschiedenen Materialien eröffnet werden.

Andererseits können PolyJet-Drucker aber nur mit niedrigviskosen Materialien drucken, was die Vielfalt der erreichbaren Materialeigenschaften wiederum stark einschränkt. PolyJet-Materialien haben mit meist 45–50 °C zudem eine niedrige Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) und können daher unter starkem Lichteinfluss sogar schon zum Kriechen und Deformieren neigen. Aus diesen Gründen ist der PolyJet-3D-Druck nur für Konzeptmodelle und die Erstellung nicht funktionsfähiger Prototypen eine gute Wahl, sowie für einige medizinische und zahnmedizinische Anwendungen, die Biokompatibilität erfordern.

SLA-3D-Drucker unterstützen eine weitaus größere Materialpalette als die meisten Material-Jetting-Drucker, im Falle der Formlabs-3D-Drucker sogar mehr als 45 Materialien, darunter über 15 biokompatible Materialien. SLA-Kunstharze bieten eine deutlich größere Bandbreite an Materialeigenschaften: Sie können flexibel oder starr sein, lichtdurchlässig oder nicht, sie können stark mit sekundären Materialien wie Glas, Wachs oder Keramik angereichert sein oder über mechanische Eigenschaften wie eine hohe Wärmeformbeständigkeitstemperatur, Schlagzähigkeit oder Chemikalienbeständigkeit verfügen. Daher können SLA-Materialien den gängigen Thermoplasten für das Rapid Prototyping sehr nahe kommen.

Während SLA keinen mehrfarbigen 3D-Druck zulässt, ist es die einzige andere 3D-Drucktechnologie, die für professionelle Anwendungen individuelle Farben anbietet, mit Color Resin. Color Resin wird kundenindividuell gefertigt und ermöglicht eine schnelle, einfache und kostengünstige Fertigung von farbigen Teilen, die von nuancierten Neutraltönen bis hin zu satten, kräftigen Farben für realistische Prototypen, farbkodierte Halterungen und Vorrichtungen oder farbige Endverbrauchsteile reichen.

Formlabs bietet außerdem den Open Material Mode (OMM) an, der die Möglichkeit eröffnet, mit jedem beliebigen Photopolymer-Kunstharz zu drucken, das bei 405 nm härtet. Das bietet Forschenden und erfahrenen Anwender*innen vollen Zugang zu Materialien von Drittanbietern oder zur Entwicklung eigener Materialien.