FDM vs. SLA: die beiden beliebtesten Arten von 3D-Druckern im Vergleich

Der Markt für 3D-Druck hat sich in den letzten Jahren rasant gewandelt. Hochgradig leistungsfähige Desktop-Geräte sind nicht mehr nur das Metier einiger Hobbybastler – sie sind zu essenziellen Werkzeugen für Unternehmen geworden. Nachdem der 3D-Druck zum Verfahren der Wahl für Prototypenfertigung und Produktentwicklung avanciert ist, hat sich die Technologie auf die Bereiche Fertigung, Zahnmedizin, Schmuck und viele weitere Branchen ausgeweitet.

Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) und Stereolithografie (SLA) sind die beiden beliebtesten Arten von 3D-Druckern auf dem Markt. Beide Technologien wurden für den Desktop angepasst und verfeinert, wodurch sie günstiger, benutzerfreundlicher und leistungsstärker geworden sind.

In diesem umfassenden Leifaden werfen wir einen genaueren Blick auf die Unterschiede zwischen FDM- und SLA-3D-Druckern und vergleichen sie in Sachen Druckqualität, Materialien, Anwendungen, Arbeitsprozess, Geschwindigkeit, Kosten und mehr, damit Sie besser entscheiden können, welches Verfahren sich am besten für Ihr Unternehmen eignet.

Die Schmelzschichtung ist die von Verbrauchern am häufigsten angewendete Form des 3D-Drucks. Bei der Schmelzschichtung werden Thermoplaste wie ABS und PLA in Form von Filament durch eine beheizte Düse extrudiert, wobei das Material schmilzt und der Kunststoff Schicht für Schicht auf der Konstruktionsplattform aufgebaut wird. Jede Schicht wird einzeln aufgetragen, bis das Teil fertiggestellt ist.

Sehen Sie sich an, wie FDM-3D-Druck funktioniert.

Diese 3D-Drucker eignen sich gut für einfache Proof-of-Concept-Modelle sowie für die schnelle und kostengünstige Prototypenfertigung einfacher Teile, so etwa für Teile, die für gewöhnlich mit Zerspanungsverfahren hergestellt werden.

Stereolithografie war die erste 3D-Drucktechnologie der Welt und wurde in den frühen 1980er Jahren erfunden. Sie ist nach wie vor eine der beliebtesten Technologien bei Profis. Bei der Stereolithografie härtet ein Laser flüssiges Kunstharz (auch Resin genannt) zu Kunststoff. Dieser Prozess wird als Photopolymerisation bezeichnet.

Sehen Sie sich an, wie SLA 3D-Druck funktioniert.

SLA 3D-Drucker sind dank Ihrer Fähigkeit, hochgenaue, isotrope, wasserdichte Prototypen in verschiedenen fortschrittlichen Materialien mit feinen Details und einer glatten Oberfläche zu liefern, äußerst beliebt geworden. SLA-Kunstharzformulierungen bieten unterschiedliche optische, mechanische und thermische Eigenschaften, die denen von Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten in nichts nachstehen.

SLA eignet sich ideal für sehr detaillierte Prototypen mit engen Toleranzen und glatten Oberflächen wie Formen, Modelle und Funktionsteile. SLA ist in vielen Bereichen vom Maschinenbau und dem Produktdesign über die Fertigung, die Zahntechnik, die Schmuckherstellung, den Modellbau bis hin zur Bildung weit verbreitet.

Wenn 3D-Druckprozesse Teile Schicht für Schicht aufbauen, können bei jeder Schicht auch Ungenauigkeiten auftreten. Der Prozess, in dem die Schichten aufgebaut werden, beeinflusst die Oberflächenqualität, die Präzision und die Genauigkeit der einzelnen Schichten und somit auch die Qualität des gesamten Drucks.

FDM 3D-Drucker bilden Schichten, indem sie Linien aus geschmolzenem Kunststoff auftragen. Bei diesem Prozess wird die Auflösung des Teils durch die Größe der Extruderdüse bestimmt und es gibt Hohlräume zwischen den abgerundeten Linien, wenn die Düse sie aufträgt. Dadurch haften Schichten möglicherweise nicht vollständig aneinander, sie sind im Allgemeinen deutlich an der Oberfläche sichtbar und der Prozess kann im Gegensatz zu anderen Technologien keine filigranen Details wiedergeben.

Beim SLA 3D-Druck wird flüssiges Kunstharz durch einen hochpräzisen Laser zu Schichten geformt, wodurch deutlich filigranere Details möglich sind. Zudem ist das Verfahren zuverlässiger bei der Wiederholbarkeit hochwertiger Druckergebnisse. Darum ist SLA 3D-Druck für feine Merkmale, glatte Oberflächen, vollendete Teilepräzision und -genauigkeit bekannt.

Genauigkeit, Präzision und Toleranz beim 3D-Druck sind komplexe und häufig fehlverstandene Begriffe. Erfahren Sie mehr über Ihre Bedeutung, um die 3D-Druckleistung besser zu verstehen.

Die Nutzung von Licht anstelle von Wärme ist ein weiterer Aspekt, durch den SLA-Drucker für Zuverlässigkeit sorgen. Da nahezu bei Raumtemperatur gedruckt wird, kommt es bei den Druckteilen nicht zu Artefakten durch Wärmeausdehnung und Kontraktion, die beim FDM-Druckprozess auftreten können.

Während bei der Schmelzschichtung eine mechanische Verbindung zwischen den Schichten entsteht, erzeugen SLA 3D-Drucker chemische Verbindungen, indem Photopolymere über Schichten hinweg miteinander vernetzt werden, was zu vollständig dichten Teilen führt, die wasser- und luftdicht sind. Diese Verbindungen weisen eine hohe horizontale Festigkeit auf, wodurch isotrope Teile entstehen, d. h. die Festigkeit ist nicht von der Richtung abhängig. Dadurch eignet sich SLA besonders für Anwendungen im Maschinenbau und in der Fertigung, bei denen es auf die Materialeigenschaften ankommt.

FDM 3D-Drucker funktionieren mit verschiedenen Standardthermoplasten wie ABS, PLA und deren Mischungen. Die Beliebtheit von FDM in der Hobbyist-Szene hat zu einer Vielzahl von Farboptionen geführt. Es gibt auch zahlreiche experimentelle Filamentmischungen zur Herstellung von Teilen mit holz- oder metallartigen Oberflächen.

Technische Materialien wie Nylon, PETG, PA, oder TPU und Hochleistungsthermoplaste wie PEEK oder PEI sind ebenfalls verfügbar, jedoch häufig auf ausgewählte professionelle FDM-Drucker beschränkt, die diese unterstützen.

SLA-Kunstharze ermöglichen eine große Anzahl an Formulierungskonfigurationen: Die Materialien können weich oder hart, stark, mit Materialien wie Glas oder Keramik gefüllt sein, oder über mechanische Eigenschaften wie eine hohe Wärmeformbeständigkeitstemperatur oder Schlagzähigkeit verfügen. Diverse Kunstharzformulierungen bieten eine große Bandbreite an optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften, die denen von Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten in nichts nachstehen.

In manchen Fällen ist es diese Kombination aus Vielseitigkeit und Funktionalität, die Unternehmen dazu bewegt, SLA firmenintern zu nutzen. Nachdem eine Anwendung mit einem spezifischen funktionsfähigen Material gelöst wurde, dauert es häufig nicht lange, bis weitere Möglichkeiten gefunden werden und der Drucker zu einem Werkzeug wird, mit dem die verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen Materialien genutzt werden können.

Der Arbeitsprozess besteht sowohl beim FDM als auch beim SLA 3D-Druck aus drei Schritten: Design, 3D-Druck und Nachbearbeitung.

Konstruieren Sie zunächst Ihr Modell mit einer beliebigen CAD-Software oder 3D-Scandaten und exportieren Sie es dann in einem für den 3D-Druck geeigneten Dateiformat (STL oder OBJ). 3D-Drucker benötigen Software, um die Druckeinstellungen zu konfigurieren und das digitale Modell zum Druck in Schichten aufzuteilen.

Bei billigen FDM oder SLA 3D-Druckern sind häufig stundenlange Anpassungen und Experimente erforderlich, um die korrekten Druckeinstellungen festzulegen. Dennoch können sich die Ergebnisse mit jedem neuen Design oder Material ändern und die Möglichkeit von Fehldrucken bleibt hoch. Dadurch werden nicht nur Projekte verzögert; es kommt möglicherweise auch zu Fehldrucken, bei denen langwierige Reinigungsarbeiten erforderlich sind.

Professionelle SLA 3D-Drucker wie der Form 3 und einige professionelle FDM-Drucker verfügen über eine eigene Software und vordefinierte Einstellungen für jedes Material, die gründlich getestet wurden, um die höchstmögliche Druckerfolgsrate zu erzielen.

Die Einrichtung von Drucken mit fortschrittlichen Druckvorbereitungstools wie PreForm ist ein Kinderspiel. PreForm steht kostenlos zum Download bereit.

Sobald der Druckvorgang beginnt, können die meisten 3D-Drucker bis zu dessen Abschluss unbeaufsichtigt laufen – auch nachts. Fortschrittliche SLA 3D-Drucker wie der Form 3 haben ein Kartuschensystem, das das Material automatisch nachfüllt.

Der letzte Schritt im Arbeitsprozess ist die Nachbearbeitung. SLA-Druckteile müssen in Isopropylalkohol (IPA) oder alternativ in Lösungsmitteln gespült werden, um alle unausgehärteten Harzablagerungen von den Oberflächen zu entfernen. Beim Standardarbeitsprozess müssen zunächst die Teile von der Konstruktionsplattform entfernt und dann manuell in einem Lösungsmittel eingeweicht werden, um überschüssiges Kunstharz zu entfernen.

Professionelle Lösungen wie Form Wash automatisieren den Prozess. Teile können direkt vom Drucker zum Form Wash übertragen werden, der das Lösungsmittel um die Teile in Bewegung versetzt, um sie zu reinigen, und die Teile automatisch aus dem Bad hebt, wenn der Prozess abgeschlossen ist.

Nachdem die gespülten Teile getrocknet sind, müssen manche SLA-Materialien nachgehärtet werden. Bei diesem Prozess lässt sich die höchstmögliche Festigkeit und Stabilität erreichen.

Der Vorteil beim FDM-Prozess ist, dass die Teile nicht gereinigt werden müssen; ungestützte fertiggestellte Teile sind einsatzbereit oder können nachbearbeitet werden, sobald der Druckprozess abgeschlossen ist.

Sowohl beim FDM- als auch beim SLA-Prozess werden Stützstrukturen eingesetzt, um den 3D-Druck komplexerer Designs zu ermöglichen. Ihre Entfernung stellt den letzten Schritt in der Nachbearbeitung dar.

Stützstrukturen bei FDM-Teilen müssen abhängig vom Stützstrukturenmaterial manuell entfernt oder in Wasser aufgelöst werden.

Die Entfernung der Stützstrukturen bei SLA-Druckteilen umfasst das Abschneiden der Stützstrukturen und das leichten Schleifen der Teile, um die Stützspuren zu entfernen. Die Low Force Stereolithography (LFS)™ Technologie von Formlabs bietet berührungsempfindliche Stützstrukturen, wodurch das gesamte Teil innerhalb von Sekunden von der Stützstrukturbasis abgelöst werden kann. Es bleiben nur minimale Spuren zurück und die Nachbearbeitungszeit wird so reduziert.

Wenn eine weitere Nachbearbeitung erforderlich ist, können sowohl FDM- als auch SLA-Teile leicht für spezifische Anwendungen oder Oberflächengüten spanend bearbeitet, grundiert, lackiert und montiert werden. Bei FDM-Teilen ist jedoch vor dem Grundieren oder Lackieren zusätzliches Schleifen erforderlich. Sie müssen außerdem höhere Infill-Werte aufweisen, damit sie spanend bearbeitet werden können.

Eines der hautpsächlichen Verkaufsargumente für FDM-Drucker sind die geringen Gerätepreise. Da Einstiegsdrucker für niedrige dreistellige Beträge zu haben sind, können Hobbyisten und kleine Unternehmen FDM ausprobieren und sehen, ob 3D-Druck etwas ist, womit sie arbeiten möchten. Für diejenigen, die sich nicht sicher sind, wo sie anfangen sollen, ist der geringe Preis eines Einstiegsdruckers häufig überzeugend genug, um den Kauf zu rechtfertigen. Jedoch können diese billigen FDM-Lösungen unzuverlässig sein und erfordern häufig einen Experten, um sie langfristig am Laufen zu halten.

Professionelle Desktop FDM-Drucker lassen sich leichter bedienen und sind besser auf Unternehmen zugeschnitten. Die Preise liegen zwischen 2000 und 8000 US-Dollar. Diese 3D-Drucker bieten im Allgemeinen bessere Qualität, eine höhere Druckqualität und größere Fertigungsvolumen. Wenngleich sich diese Geräte für die Herstellung von Funktionsteilen eignen, gibt es bei diesem Preispunkt viel Konkurrenz, da SLA-Drucker eine größere Palette an Anwendungen und hochwertigere Drucke bieten.

SLA 3D-Drucker sind ab 3750 US-Dollar verfügbar. Formlabs bietet die einzige zugängliche großformatigen SLA 3D-Drucklösung mit etwas unter 11 000 US-Dollar.

Im Hinblick auf die Materialien sind FDM-Filaments ebenfalls sehr günstig, wenn man sie mit den Materialien für andere 3D-Druckverfahren vergleicht. Standard-ABS, PLA und ihre verschiedenen Mischungen sind ab 50 US-Dollar/kg verfügbar, während Spezialfilaments für technische Anwendungen 100 bis 150 US-Dollar/kg kosten können. Lösbare Stützstrukturmaterialien für kompatible FDM 3D-Drucker kosten 100 bis 200 US-Dollar/kg. Im Vergleich zahlt man 149 bis 200 US-Dollar/l für die meisten Standard- und technischen Kunstharze für SLA 3D-Drucker.   

Arbeitskosten sind der letzte – und oft vernachlässigte – Teil der Gleichung. Bei einfachen Designs ohne Stützstrukturen sind bei der Schmelzschichtung fast keine Nachbearbeitungsschritte erforderlich. Gestützte FDM-Druckteile und Teile, bei denen eine hohe Oberflächengüte erforderlich ist, müssen jedoch zeitaufwändig nachbearbeitet werden.

SLA-Teile müssen gewaschen und abhängig vom Material auch nachgehärtet werden. Beide Prozesse können jedoch weitgehend mit Zubehör automatisiert werden, um die Arbeitszeit zu reduzieren. Gestützte SLA-Druckteile erfordern lediglich geringfügiges Schleifen, um die Stützspuren zu entfernen und eine hochwertige Oberflächengüte zu erzielen.

Draft Resin ist ein schnelldruckendes SLA-Material, mit dem Teile 5- bis 10-mal schneller als mit FDM 3D-Druckern erstellt werden können. Bei einer Schichthöhe von 200 Mikrometern ist Draft Resin genau genug für die Anforderungen der Prototypenfertigung und ermöglicht gleichzeitig schnellere Designiterationen. Größere Modelle, die nahezu das gesamte Fertigungsvolumen eines SLA-Druckers ausmachen (ca. 15 Kubikzentimeter), lassen sich mit Draft Resin in etwa 9 Stunden drucken. Ein FDM-Drucker kann für dasselbe Teil mit einer Schichtdicke von 200 Mikrometern 80-90 Stunden benötigen. Dies ist ideal für Anwendungen wie Rapid Prototyping, bei der die Anwender schnell den Druckerfolg bewerten und mit einem anderen Druck oder Projekt fortfahren können.

Die Druckgeschwindigkeit bei FDM und SLA lässt sich vergleichen, wenn die Druckteile ähnliche Schichthöhen mit anderen Materialien aufweisen. Jedoch unterscheidet sich ein Teil, das mit 100 Mikrometern auf einem FDM-Drucker hergestellt wurde, erheblich von einem Teil, das mit derselben Auflösung auf einem SLA-Drucker gedruckt wurde. Um eine vergleichbare Qualität bei FDM-Teilen zu erzielen, sind geringere Schichthöhen erforderlich. Das bedeutet eine zwei- bis viermal längere Druckdauer oder umfangreiche und zeitintensive Nachbearbeitung, um die Oberflächengüte zu verbessern.

Ein Bereich, bei dem die Schmelzschichtung traditionell die Nase vorn hatte, war das Fertigungsvolumen. Aufgrund der technologischen Unterschiede lassen sich größere FDM-Maschinen einfacher entwickeln. Es gibt zahlreiche größere FDM-Lösungen auf dem Markt für den 3D-Druck größerer Teile.

Der invertierte SLA-Prozess bei Desktop SLA-Druckern reduziert Standfläche und Kosten, doch erhöhte Abzugskräfte sorgen für Einschränkungen bei Materialien und Fertigungsvolumen, und größere Teile erfordern für einen erfolgreichen Druck robuste Stützstrukturen.

Mit der Einführung des auf Low Force Stereolithography (LFS) basierenden Druckvorgangs beim Form 3 und Form 3L hat Formlabs seine Herangehensweise an harzbasierten 3D-Druck vollständig überarbeitet, um die beim Druckprozess auf die Teile wirkenden Kräfte stark zu reduzieren. Die gleichmäßige lineare Beleuchtung und die geringen Kräfte im flexiblen Tank sorgen dafür, dass die Low Force Stereolithography Technologie nahtlos auf ein größeres Druckvolumen skalieren kann, das um dieselbe leistungsstarke Druck-Engine gebaut ist.

Der Form 3L ist der erste günstige großformatige Kunstharzdrucker und liefert schnell große Teile. Er nutzt zwei versetzte Light Processing Units (LPUs), die gleichzeitig entlang eines optimierten Druckpfads arbeiten. Dank einem Fertigungsvolumen, das fünfmal größer ist als das von herkömmlichen SLA-Druckern, durchbricht der Form 3L die Größenbeschränkungen, die manchmal den Arbeitsprozess bei kleineren Desktop-Geräten einschränken, und ist dennoch zu einem konkurrenzfähigen Preis verfügbar.

Die Druckgeschwindigkeit bei FDM und SLA lässt sich vergleichen, wenn die Druckteile ähnliche Schichthöhen mit anderen Materialien aufweisen. Jedoch unterscheidet sich ein Teil, das mit 100 Mikrometern auf einem FDM-Drucker hergestellt wurde, erheblich von einem Teil, das mit derselben Auflösung auf einem SLA-Drucker gedruckt wurde. Um eine vergleichbare Qualität bei FDM-Teilen zu erzielen, sind geringere Schichthöhen erforderlich. Das bedeutet eine zwei- bis viermal längere Druckdauer oder umfangreiche und zeitintensive Nachbearbeitung, um die Oberflächengüte zu verbessern.

Jedes 3D-Druckverfahren hat seine eignen Stärken, Schwächen und Anforderungen und eignet sich für unterschiedliche Anwendungen und Unternehmen. Die nachfolgende Tabelle fasst einige wichtige Eigenschaften und Aspekte zusammen.

Nach dem Vergleich der beiden Technologien können wir zu dem Schluss kommen, dass FDM- und SLA-Drucker ähnliche Eigenschaften haben, die sich häufig ergänzen. Die beiden verschiedenen Arten von 3D-Druckern stehen aber nicht immer in Konkurrenz: Viele Unternehmen nutzen sowohl FDM- als auch SLA-Geräte. Dies kann das beste beider Welten bedeuten: kostengünstige schnelle Prototypenfertigung mit hoher Qualität und funktionale Teile für eine breitere Anwendungspalette.

Hier einige praktische Beispiele:

• In der Produktentwicklung eignen sich FDM-Teile oder SLA-Druck mit Draft Resin beide ideal für grundlegende Proof-of-Concept-Modelle und schnelle Iterationen. Wenn ein Projekt in der Entwicklung fortschreitet, eignet sich SLA 3D-Druck optimal für detaillierte Konzeptmodelle oder funktionsfähige Prototypen, bei denen möglicherweise eine höhere Qualität und Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften erforderlich sind.

• Sowohl FDM als auch SLA 3D-Druck werden häufig in der Fertigung eingesetzt, um Vorrichtungen und andere Werkzeuge zu fertigen. FDM ist besser geeignet für große, einfache Teile, während SLA die bessere Lösung für komplexe Vorrichtungen, hochgenaue Werkzeugbestückungen und Formen ist.

• In der Bildung hatte man bislang sowohl mit FDM- als auch mit SLA-Druckern Erfolg. Viele Bildungseinrichtungen beginnen mit dem FDM-Druck, da seine geringen Kosten ideal geeignet sind für schnelle Entwürfe durch Studenten und die Vermittlung von praktischer Erfahrung mit der Technologie. SLA ist die Technologie der Wahl für viele technische Schulen, Universitäten, Forschungseinrichtungen und Bildungseinrichtungen für Schmuck und Zahnmedizin, da sie eine höhere Qualität und eine größere Anzahl von Anwendungen bietet.

Das Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) der University of Sheffield nutzt eine Flotte von 12 SLA 3D-Druckern für die meisten Anwendungen im Bereich Maschinenbau und Fertigung und reserviert fünf industrielle FDM-Drucker ausschließlich für größere Teile.

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