Alles, was Sie über den 3D-Druck mit DLP® wissen müssen

Auf einen Blick: Beim 3D-Druck mit Digital Light Processing (DLP) wird das Photopolymerharz durch projiziertes Licht ausgehärtet, wodurch Teile mit hervorragender Genauigkeit, glatter Oberflächenbeschaffenheit und funktionalen Materialeigenschaften entstehen. Durch die Kombination aus Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und breiter Materialkompatibilität schlägt DLP eine Brücke zwischen Prototypenbau und Serienfertigung und liefert isotrope Hochleistungs-Teile für Anwendungen in den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt, Industrie, Medizin und Konsumgüter. Die programmierbare Photopolymerisation P3™ von Stratasys erweitert DLP um eine Prozesssteuerung im geschlossenen Regelkreis und ein patentiertes pneumatisches Trennsystem für außergewöhnliche Präzision, Wiederholgenauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit.  

Was ist DLP-Druck?

Der DLP-Druck (Digital Light Processing) ist eine auf Kunstharz basierende 3D-Drucktechnologie, bei der flüssiges Photopolymer mithilfe einer digitalen Projektionsfläche ausgehärtet wird. Durch die gleichzeitige Belichtung einer gesamten Schicht mithilfe eines Digital Micromirror Device (DMD) werden deutlich höhere Druckgeschwindigkeiten und eine höhere Genauigkeit als bei Punkt-zu-Punkt-Lasersystemen erreicht, was diese Technologie zu einer praktikablen Alternative zum Spritzguss macht.

Dadurch eignet sich DLP besonders gut für die Kleinserienfertigung von Produktionsteilen.

Nachdem jede Schicht ausgehärtet ist, hebt sich die Bauplattform an, damit frisches Kunstharz für den nächsten Querschnitt darunter fließen kann. Das Verfahren der Vollschichtprojektion verleiht DLP seinen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber anderen Technologien für Kunstharz.

Das DMD selbst, das 1987 von Texas Instruments entwickelt wurde, enthält Tausende mikroskopisch kleiner Spiegel, die einzeln gesteuert werden können. Jeder Spiegel reflektiert das Licht entweder in Richtung des Baugebiets oder weg zu einem Strahlabfang, und durch schnelles Umschalten zwischen diesen Positionen wird die effektive Helligkeit jedes Pixels gesteuert. Digital Projection nutzte diese Technologie zehn Jahre später, um den ersten DLP-Projektor zu bauen.

Einsatz von DLP im 3D-Druck

Bei DLP-Druckern ist der eigentliche DLP-Projektor nur eine Komponente (wenn auch eine entscheidende) einer komplexen Maschine für den 3D-Druck. DLP-3D-Drucker bestehen aus vier Hauptkomponenten: 

• Resin-Kunstharz-Behälter 
• Bauplattform 
• DLP-Lichtquelle 
• Membran/Trennmechanismus 

So interagieren sie miteinander, um ein 3D-gedrucktes Teil zu drucken:

1. Der Behälter enthält ein Photopolymer-Kunstharz, also eine Art Kunststoff, der bei Lichteinwirkung aushärtet.

2. Eine flexible Membran am Boden des Behälters (unter der Bauplattform) dehnt sich nach unten aus, und eine dünne Schicht Kunstharz fließt hinein.

3. Der DLP-Projektor härtet eine gesamte Schicht des 3D-gedruckten Teils auf einmal aus, indem er ein Bild dieser Schicht auf die Oberfläche des Kunstharzes im Behälter projiziert.

4. Die Membran zieht sich nach oben zusammen, um sich mit der Bauplattform zu verbinden, und eine dünne Schicht aus Kunstharz zwischen der Membran und der Bauplattform wird ausgehärtet.

5. Die Bauplattform wird angehoben (sehr leicht, dies ist die Schichtauflösung der Z-Achse), damit mehr Kunstharz darunter fließen kann. 

6. Die Schritte 2–5 werden für jede Schicht wiederholt, bis das Teil fertig ist. 

Wo passt DLP in die Welt der additiven Fertigung?

Die additive Fertigung (AM) lässt sich auf verschiedene Weise kategorisieren, aber am einfachsten ist es vielleicht, mit dem verwendeten Material zu beginnen. Grob vereinfacht lassen sich folgende Materialkategorien unterscheiden: 

• Metall 
• Kunststoffe/Polymere 
• Thermoplaste 
• Duroplaste, auch Photopolymere genannt 

Alle Kunststoffarten durchlaufen eine Veränderung von einem eher flüssigen oder formbaren Zustand zu ihrem „Endzustand“. Der Hauptunterschied zwischen Thermoplasten und Duroplasten liegt in der Reversibilität dieser Veränderung. Thermoplaste durchlaufen einen vollständig bidirektionalen Prozess, wenn sie aushärten oder in einen „permanenten“ Zustand übergehen.  

Dieser Prozess kann umgekehrt werden, um den ursprünglichen Rohstoff wiederherzustellen. Im Gegensatz dazu sind Duroplaste – wie der Name schon sagt – fest ausgehärtet. Sobald der Kunststoff ausgehärtet ist, kann er nicht mehr in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden. 

Eine andere Betrachtungsweise ist, was passiert, wenn Wärme auf den ausgehärteten Kunststoff einwirkt: 

• Thermoplaste schmelzen (und können bei Bedarf wieder ausgehärtet werden)
• Duroplaste verbrennen (und kehren nicht in ihren ursprünglichen formbaren Zustand zurück) 

Jede Technologie der additiven Fertigung arbeitet (in der Regel) nur mit einer Materialkategorie. 

Die ISO unterscheidet sieben Hauptgruppen von AM-Technologien: 

Aus dieser Übersicht
geht klar hervor, dass DLP am engsten mit anderen Formen der Photopolymerisation im Photoreaktor verwandt ist. Dennoch ist es sinnvoll, alle Formen des 3D-Drucks mit Polymeren zu vergleichen, um zu erkennen, wann der Einsatz von DLP am besten geeignet ist und wann andere Verfahren vorzuziehen wären.

Materialien für den DLP-3D-Druck

DLP kann mit Materialien mit einer Vielzahl von Eigenschaften 3D-drucken. Seine 385-nm-UV-Lichtquelle eignet sich gut zum Aushärten einer breiten Palette von Kunstharzen. Der gemeinsame Nenner aller kompatiblen Materialien ist, dass es sich um Photopolymere handeln muss. (Denken Sie daran, dass der gesamte Prozess des DLP-Drucks auf der Aushärtung von Kunstharz durch Licht basiert.) 

DLP-Photopolymere lassen sich in die folgenden Funktionskategorien einteilen: 

• Allzweck 
• Zähigkeit 
• Elastomere 
• Temperaturbeständigkeit 
• Medizin 
• Sonstige/Spezialanwendungen 

Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit neigen dazu, brüchiger zu sein, während elastischere oder Materialien mit höherer Zähigkeit tendenziell eine geringere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Dies sollte bei der Bestimmung des für Ihre Anwendung am besten geeigneten Materials berücksichtigt werden. 

DLP-Materialien für allgemeine Zwecke

Diese Materialien sind die Alleskönner beim 3D-Druck mit DLP. Sie bieten folgende Vorteile: 

• Gute Allround-Eigenschaften 
• Benutzerfreundlich zum Drucken und Verarbeiten 
• Geeignet für ein breites Anwendungsspektrum 

Zähe DLP-Materialien

Zähe Materialien halten Stößen oder wiederholten Bewegungen stand. Während ihre Elastizität variieren kann, zeichnen sie sich im Allgemeinen durch eine hohe Schlagfestigkeit aus. Zähe DLP-Materialien lassen sich nach der Art des thermoplastischen Materials klassifizieren, das sie nachahmen, z. B.:

• ABS 
• Schlagzähmodifiziertes Polypropylen 

Elastomere für den DLP-3D-Druck

Diese Materialien ahmen Gummi in verschiedenen Formen nach, für Anwendungen wie: 

• Dichtungen 
• Schwingungsdämpfung 
• „Federnder“ Gummi 

Elastomere Photopolymere werden anhand folgender Kriterien quantifiziert: 

• Shore-Härte, wobei höhere Kennwerte härteren Materialien zugeordnet werden 
• Reißfestigkeit 
• Bruchdehnung 

Allgemein gilt, dass Materialien mit niedrigeren Shore-Härte-Kennwerten sich stärker dehnen lassen (größere Bruchdehnung). Härtere Elastomere können für Form-, Fit- und Funktionsprototypen verwendet werden, während weichere Elastomere häufiger in Dichtungen und Dichtungsringen zum Einsatz kommen. 

Temperaturbeständige DLP-Materialien

Hierbei handelt es sich um DLP-Materialien, die einer anhaltenden Hitzeeinwirkung standhalten können, was typischerweise anhand der Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) quantifiziert wird. Sie können auch hinsichtlich Flamm-, Rauch- und Toxizitätsverhalten (FST) zertifiziert sein. Hitzebeständige Materialien weisen zudem in der Regel eine gute Feuchtigkeitsbeständigkeit auf, was zu einer besseren langfristigen Formstabilität führt. Beachten Sie, dass Materialien mit hoher Temperaturbeständigkeit in der Regel brüchiger sind als Materialien anderer Kategorien. Bei Anwendungen mit wiederholter Belastung, Stößen oder Sturzgefahr sollte die Verwendung dieser Materialien vermieden werden. 

Medizinische DLP-Materialien

Dank hoher Genauigkeit und glattem Oberflächenfinish eignet sich DLP für den Druck von Medizinprodukten unter Verwendung spezieller Materialien in medizinischer Qualität, die gemäß den einschlägigen behördlichen Anforderungen und Normen zertifiziert sind. 

DLP-Materialien für spezielle Zwecke

Die oben genannten allgemeinen Kategorien können für viele Anwendungen genutzt werden. Für Anwendungsfälle, die spezielle Eigenschaften erfordern (z. B. ESD-Schutz, flammhemmend), können andere Materialien für spezielle Zwecke verwendet werden. Diese 3D-Materialien lassen sich anhand der herkömmlichen thermoplastischen Materialien beschreiben, die sie ersetzen, zum Beispiel: 

• Nylon 6/12 
• PBT (Polybutylenterephthalat) 
• ESD-Materialien
• Aluminiumsilikat 
• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) 
• Polypropylen 
• TPU (thermoplastisches Polyurethan) 

Konstruktion für den DLP-3D-Druck

Design for Additive Fertigung (DfAM) basiert auf der Idee, dass der 3D-Druck nicht erst mit dem eigentlichen Drucker beginnt. Er beginnt bereits mit der Konstruktion eines Bauteils. Aktuelle Konstruktionen werden unter Berücksichtigung der Einschränkungen herkömmlicher Fertigungsmethoden erstellt. Da es sich hier um eine grundlegend andere Fertigungsmethode handelt, sollte die Bauteilkonstruktion nicht durch irrelevante Einschränkungen begrenzt werden. Mit DfAM können Sie das volle Potenzial der additiven Fertigung ausschöpfen. 

Warum Design für die additive Fertigung?

Bei der Verwendung der additiven Fertigung für Endbauteile und Produktionsteile ist die auf diese Technologie abgestimmte Konstruktion entscheidend, um die wahren Vorteile der AM zu nutzen. Gutes DfAM kann Ihnen helfen, Qualität, Funktionalität und Durchsatz zu verbessern, was zu niedrigeren Gesamtkosten und einer größeren Anzahl praktikabler Anwendungen für die additive Fertigung führt. Darüber hinaus können Sie durch konstruktives Design für die additive Fertigung häufig Teile zu einem einzigen, integrierten Bauteil zusammenfassen, wodurch der Montageaufwand und die Qualitätsprobleme reduziert werden, die oft mit präzisen manuellen Montageprozessen verbunden sind.  

So entwerfen Sie für die additive Fertigung

Schritt 1 – Berücksichtigen Sie das Bauteil und die Anwendung: 

• Gibt es ein geeignetes AM-Material für die Anwendung? 
• Passt es in das Bauvolumen des Druckers? 
• Gibt es Merkmale/Wände, die kleiner als 200 μm (0,2 mm) sind? 
• Gibt es Überhänge? 
• Sind Stützstrukturen an kritischen Oberflächen erforderlich? 
• Gibt es Bereiche, aus denen das Kunstharz nicht entweichen kann?  

Schritt 2 – Wählen Sie ein AM-Material: 

• Starr 
• Zähigkeit 
• Hohe Temperatur 
• Elastomere 
• Für spezielle Anwendungen 
• usw. 

Schritt 3 – Berücksichtigen Sie die Ausrichtung des Druckteils: 

• Die Höhe (Z-Achse) ist der entscheidende Faktor für die Druckzeit. Richten Sie das Teil nach Möglichkeit so aus, dass die Höhe so gering wie möglich ist. 
• Kann eine flache Oberfläche Ihres Entwurfs an den Druckkopf angelegt werden, um einen stabilen Druck zu erzielen, der weniger Stützstrukturen erfordert? 

Die Ausrichtung des Teils kann sich auch auf die Oberflächenbeschaffenheit auswirken: 

• Die beste Oberfläche ergibt sich bei einer flachen Oberfläche, die direkt parallel zur Bauplattform gedruckt wird. Dies lässt natürlich wenig Spielraum für gestalterische Freiheit.  
• Die zweitbeste Oberflächenbeschaffenheit ergibt sich bei einem gekrümmten oder flachen Teil, das in einem Winkel zum Baukopf steht (keine senkrechte, flache Oberfläche). Die meisten Oberflächen der meisten Teile fallen in diese Kategorie.  
• Die schwierigste Oberflächenausrichtung ist eine ebene Fläche, die senkrecht zur Bauplattform steht, da man dabei feine Schichtlinien in Z-Richtung wahrnimmt. Dies lässt sich etwas abmildern, indem man einen Drucker (wie den Origin® Two) mit einer strukturierten Bauplattform mit hoher Festigkeit verwendet, um eine stabile und gleichmäßige Z-Achse zu erzielen. 

Schritt 4 – Berücksichtigen Sie die Anforderungen an Stützstrukturen: 

• Benötigt das Teil Stützstrukturen? 
• Wie sieht die Stützstrategie aus?
•  Werden an kritischen Oberflächen Stützen erforderlich sein? 
• Wie hoch werden die Stützen sein? Höhere Stützen müssen dicker sein. 
• Materialien, die mit geringerer Grünfestigkeit (Vorkurierungsfestigkeit) gedruckt werden, benötigen mehr Stützen. 

Schritt 5 – Reinigung und Nachhärtung: 

• Es ist wichtig, den Reinigungsprozess bei der Konstruktion Ihres Teils zu berücksichtigen.
  Viskose Kunstharze, wie Elastomere, lassen sich schwerer reinigen als Kunstharze mit geringerer Viskosität, wie beispielsweise feste Materialien. 
• Auch sehr dichte Gitterstrukturen können eine Herausforderung darstellen und die Reinigung zeitaufwändig machen.
  Der Schlüssel zum Erfolg bei DfAM liegt darin, einen Schritt zurückzutreten, die Teile auf Systemebene neu zu betrachten und sie hinsichtlich Gewicht, Leistung und Durchsatz zu optimieren. 

DfAM-Beispiel: Überlegungen zu Stützen und Verschachtelung

Das unten abgebildete Venturi-Ventil (im Querschnitt) ist beispielsweise vollständig selbsttragend, solange es in der links gezeigten Ausrichtung gedruckt wird (drei Anschlüsse nach unten, einer nach oben). Würde es in der anderen Ausrichtung gedruckt, bräuchte der zentrale interne Flüssigkeitsauslass (rot markiert) eine Stütze. 

Um dieses Teil jedoch in großen Stückzahlen zu drucken, spielt die Verschachtelungsdichte eine wichtige Rolle. Hätten alle Teile die gleiche Ausrichtung, würden weniger in einen einzigen Druck passen, was den Durchsatz verringern würde. Daher war es notwendig, beide Ausrichtungen zu verwenden, was für eine davon eine Stützstruktur erforderte.

Die Verwendung von Stützmaterial bei DLP ist an sich kein Problem, stellte in diesem Fall jedoch eine Herausforderung dar. Der logische Weg, eine Stützstruktur hinzuzufügen, wäre wie folgt (grüne Linien): 

Das Platzieren von Stützstrukturen innerhalb eines geschlossenen Rohrs würde es jedoch fast unmöglich machen, diese sauber zu entfernen. Stattdessen ist das Venturi-Ventil durch eine geringfügige Änderung des Designs in beiden Ausrichtungen vollständig selbsttragend: 

Diese Lösung fügt selbsttragende Stützen (blau hervorgehoben) hinzu, die die Seitenwand und den zentralen inneren Flüssigkeitsauslass verbinden, um den nicht abgestützten Anschluss zu stützen und gleichzeitig einen ungehinderten Luftstrom zu ermöglichen. 

Zukünftige Trends in der DLP-3D-Drucktechnologie 

Die DLP-3D-Drucktechnologie wird bereits zum Drucken hochwertiger, reproduzierbarer und voll funktionsfähiger Teile eingesetzt. Und sie steht kurz davor, noch besser zu werden: 

• Mehr Materialien mit neuen Eigenschaften, noch bessere Leistung, Unterstützung eines breiteren Spektrums an Industriestandards 
• Eine kontinuierliche Senkung der Kosten pro Teil dank Verbesserungen der Druckerleistung, Skaleneffekten bei der Druckerherstellung sowie Fortschritten bei der Software, die es ermöglichen, mehr Teile in einem einzigen Druckvorgang zu platzieren 
• Schnellerer Durchsatz 
• Nachhaltiges Kunstharz, hergestellt aus pflanzlichen oder erneuerbaren Quellen 
• Multimaterial-3D-Druck 
• Zusätzliche Automatisierung (z. B. automatische Kalibrierung) zur Verbesserung der Wiederholgenauigkeit, Reduzierung von Fehlern, Minimierung manueller Arbeit und Skalierung für die Produktion. 

Diese Methode hat mehrere Vorteile: 

• Sie ermöglicht ein sehr hohes Oberflächenfinish. 
• Feine Details können gedruckt werden, ohne dass sie beim Entformungsprozess brechen.
•  Es können große Querschnitte gedruckt werden. 
• Es wird weniger Stützmaterial benötigt (was weniger Nachbearbeitung erfordert). 
• Es lässt sich maximale geometrische Flexibilität erzielen.