Hars 3D-printers: SLA, DLP en LED‑LCD uitgelegd

3D-printen van licht-uitgeende harsen heeft in de afgelopen jaren terrein gewonnen om de tweede meest populaire 3D-printtechnologie na FFF te worden, zowel in professionele als maker-omgevingen. Deze boom is het resultaat van twee belangrijke factoren. Aan de ene kant heeft de lagere kostprijs van hars 3D-printers door het opduiken van nieuwe technologieën harsprinters in hetzelfde prijssegment als FFF geplaatst. Aan de andere kant heeft het opduiken van nieuwe materialen zoals tandheelkundige, flexibele en engineering harsen het mogelijk gemaakt om harsonderdelen te produceren die voorheen alleen haalbaar waren met FDM of SLS.

De hoofdkracht van 3D harsprinten, die de aandacht van sommige professionele sectoren als tandheelkunde of juwelen heeft getrokken, is de hoge resolutie die het bereiken kan, variërend van 50 µm tot 150 µm in XY en van 30 µm tot 200 µm in Z, wat onder de minimale resolutie van een 3D FFF-printer ligt. Als resultaat hebben met hars geprintte onderdelen een hoge oppervlaktekwaliteit en een hoog detailniveau, wat hen de hoogste esthetische kwaliteit geeft van alle additieve productietechnologieën.

Basis van 3D harsprinten

3D harsprinten baseert zich op een volledig ander principe dan dat gebruikt in de meeste 3D-printtechnologieën zoals FFF of SLS. Terwijl in deze een thermoplastisch polymere als uitgangspunt gebruikt wordt en verhit tot de smelttemperatuur om het onderdeel te vormen, is harsprinten gebaseerd op het polymeriseren van een reactieve mengsel van monomeren en oligomeren door selectieve toepassing van licht. Dit betekent dat, in plaats van kunststof als grondstof te gebruiken, bij harsprinten de basisonderdelen die de kunststof vormen gebruikt worden en de kunststof gevormd wordt door chemische reactie tijdens het printproces.

Harsen voor 3D-printen bestaan voornamelijk uit drie componenten:

Monmeren en oligomeren: Dit zijn kleine moleculen die met elkaar reageren om lange polymere ketens te vormen, die het fundamentele component van kunststof zijn. De lengte van deze ketens zal hun eigenschappen grotendeels bepalen.

Kruisverbindingsagent: Bestaat uit moleculen met twee of meer reactieve groepen in staat om op verschillende punten aan de polymere ketens te binden. De functie is om de ketens stevig met elkaar verbonden te houden. In het algemeen geven kunststoffen gevormd in aanwezigheid van kruisverbindingsagenten aanleiding tot wat bekend staat als thermoharderende kunststoffen of harsen.

Fotoinitiator: Deze is verantwoordelijk voor het bevorderen van de reactie tussen de monomeren of van deze met het kruisverbindingsagent. Dit zijn organische moleculen, doorgaans kleurstoffen of fluoroforen, in staat om kationen of vrije radicalen te produceren in aanwezigheid van licht op een gegeven golflengte, zo radicalaire of cationische polymerisatiereacties initierend.

Licht, doorgaans blauw (405 nm) of violet (365 nm - 385 nm), wordt gebruikt om de fotoinitiators te activeren en de hars te verharden, aangezien dit de energierijkste band in het zichtbare spectrum is. Hiervoor worden alleen de gebieden die deel zullen uitmaken van het onderdeel in elke laag verlicht.

Afbeelding 1: Zichtbaar licht spectrum. Bron: Wikipedia.com

De 3D harsprinttechnologieën worden bepaald door het type lichtbron en de methode van selectieve verlichting die gebruikt wordt. Momenteel zijn er drie gangbare technologieën : SLA, DLP en LED-LCD.

3D SLA-printen

3D SLA of stereolithografie-printen is de oudste commerciële 3D-printtechnologie. Het werd ontwikkeld tijdens de eerste helft van de jaren 80 en gepatenteerd in 1986 door 3D Systems-oprichter Chuck Hull, slechts drie jaar voordat Stratasys-oprichter Scott Crump FDM-technologie patenteerde.

Bij 3D SLA-printen wordt de hars uitgehard met een laserstraal tussen 150 en 300 µm in diameter. De laser veegt het oppervlak van elke laag met behulp van een bewegend spiegelsysteem genaamd galvanometer. Het belangrijkste voordeel van deze technologie is de hoge precisie die het kan bereiken, met name in het centrale gebied van het bouwplatform, wat alleen door SLS-technologie overtroffen wordt.

Afbeelding 2: SLA-printproces. Bron 3Dhubs.com

Een ander voordeel, deels afgeleid van deze hoge precisie, is dat het een superieure oppervlakteafwerking bereikt ten opzichte van die verkregen in DLP en LED-LCD's aangezien het het traptredeffect niet vertoont dat in de laatste zichtbaar is.

Afbeelding 3: Oppervlakteafwerking in 3D SLA- en DLP-printen. Bron: Formlabs.com

Echter, niet alles is een voordeel, aangezien dit de langzaamste harsprinttechnologie is. Voor elke laag is het nodig om het hele oppervlak van het onderdeel met de laser af te veegen, wat een langzaam proces is, wat toeneemt naarmate we meer onderdelen in de bouwruimte positioneren. Bovendien is het nodig om de veegsnelheden binnen een specifiek bereik te houden, aangezien zeer hoge snelheden zou leiden tot precisieverlies, de hoofdkracht van deze technologie.

Video 1: Hoe SLA-printen werkt. Bron: Formlabs.com

Dit is de technologie die gebruikt wordt door de bekende Formlabs-printers, het referentiemerk voor harsprinten. Printers zoals Form 3 of Form 3B gebruiken deze technologie in combinatie met hoge-precisie galvanometers om de hoogste kwaliteitsstandaarden te bieden in kritische sectoren zoals high-end juwelen, tandheelkunde of geneeskunde.

Afbeelding 4: Form 3B-printer. Bron: Formlabs.com

3D DLP-printen

DLP 3D-printtechnologie is ontwikkeld met het doel om 3D harsprinttijden te reduceren. In plaats van het oppervlak van het onderdeel met een laser af te veegen, wordt de volledige laag gelijktijdig geprojecteerd met behulp van een lichtbron, een apparaat bestaande uit een bewegende micro-spiegelarray bekend als DMD (Digital Micromirror Device) en een set lenzen verantwoordelijk voor het projecteren van het beeld op de hars.

Video 2: Hoe een DMD werkt. Bron: TI.com

Deze technologie was een revolutie, aangezien elke laag in een paar seconden gevormd wordt en de printtijd onafhankelijk is van het aantal onderdelen op de basis, alleen van de hoogte van deze.

Zijn belangrijkste nadeel is dat de printresolutie bepaald wordt door de dichtheid van micro-spiegels die de DMD vormen en het geprojecteerde oppervlak. Voor hetzelfde DMD-systeem zal een groter printoppervlak altijd resulteren in een evenredige daling van de resolutie, wat niet het geval is bij SLA-systemen, waar de resolutie bepaald wordt door de diameter van de laserstraal en onafhankelijk is van het printoppervlak.

Bovendien kan het gebruik van projectielensen vervormingen veroorzaken in gebieden ver van het centrum, wat groter is naarmate de bouwwrootte toeneemt. Het is mogelijk om deze vervormingen te corrigeren door complexere optische systemen te gebruiken, echter, deze maken het apparaat vaak erg duur en daarom niet erg populair.

De oppervlaktekwaliteit van de onderdelen is doorgaans iets lager dan die geproduceerd door SLA, en in veel gevallen verschijnt het traptredeffect.

Afbeelding 5: Traptredeffect afgeleid van het gebruik van vierkante voxels in DLP. Bron: theorthocosmos.com

Hoewel de printtijden kritiek verkort werden, heeft deze technologie SLA-technologie niet weten te verdringen. Vandaag de dag is het een technologie die in onbruik is gevallen, verdreven voornamelijk door het opduiken van LED-LCD-technologie.

3D LED-LCD of MSLA-printen

Het is de laatste technologie die de markt bereikt en heeft in de afgelopen jaren significante groei beleefd. Het werd ontwikkeld als een evolutie van DLP-technologie, en vandaag de dag heeft het deze vrijwel volledig vervangen.

De werking is vergelijkbaar met DLP-technologie, echter, in plaats van licht te reflecteren met behulp van een digital micromirror device (DMD), gebruikt het een LCD-apparaat waarin elke pixel fungeert als een klein raampje dat licht blokkeert of doorlaat.

Afbeelding 6: SLA vs DLP vs MSLA. Bron: theorthocosmos.com

LCD-apparaten zijn dezelfde als die gebruikt in mobiele schermen of TV- of computerpanelen, zodat de kost veel lager is dan die van DMD-apparaten. Bovendien zijn ze beschikbaar in formaten van 3" tot 80", zodat de projectie direct en loodrecht op de basis over het hele oppervlak is. Dit vermijdt het gebruik van dure en complexe projectielenssystemen en de vervormingen die ze veroorzaken in door DLP geproduceerde onderdelen.

Onder de belangrijkste voordelen zijn de hoge printsnelheid en lage kostprijs. Bovendien overtreft het DLP-technologie in twee cruciale manieren. Zoals hierboven aangegeven, voorkomt loodrechte projectie vervorming door de schuine projectie die lenzen in DLP-systemen bieden. Ten tweede, LCD-apparaten blokkeren of laten niet alleen licht door, maar kunnen het ook filteren door de lichtintensiteit onafhankelijk bij elke pixel te variëren. Dit maakt het mogelijk om anti-aliasing processen te gebruiken die het traptredeffect reduceren en oppervlaktekwaliteiten zeer dichtbij die verkregen door SLA toestaan.

.

Afbeelding 7: Sub-pixel of anti-aliasing sampling om traptredeffect te vermijden. Bron: hackaday.com

Al dit heeft ervoor gezorgd dat de groei in de afgelopen jaren niet alleen DLP-technologie heeft verdreven maar begint SLA-technologie te vervangen in sectoren als tandheelkunde, waar SLA-technologie een standaard is.

Een van de belangrijkste nadelen is het hoge opwarmingsniveau geproduceerd door de LED-matrices gebruikt, wat betekent dat effectieve koelsystemen geïmplementeerd moeten worden om te voorkomen dat de hars opwarmt bij lange prints.

Afbeelding 8: Vloeistofkoelsysteem van een Uniz-printer. Bron: Uniz.com

Het is de technologie aanwezig in alle goedkope hars 3D-printers en ook de nieuwste professionele modellen zoals de Uniz Slash.

Afbeelding 9: Uniz Slash Plus printer. Bron: Uniz.com

Welke technologie kiezen

Vandaag de dag kan het dilemma gereduceerd worden tot twee technologieën: SLA of LED-LCD.

Ondanks de groei van LED-LCD-technologie, is SLA-technologie nog steeds de meerderheid in professionele omgevingen. Er zijn twee redenen hiervoor, ten eerste de hoge kwaliteit en precisie die SLA bereikt met printers zoals Formlabs is moeilijk te evenaren. Aan de andere kant hebben nieuwe technologieën een overgangsperiode nodig om plaats te maken in bedrijven door de noodzaak om huidige apparatuur af te schrijven en het wantrouwen in nieuwe systemen met lage implementatie in hun sector.

Echter, de nieuwe professionele LED-LCD-printers, zoals de Uniz, kunnen een belangrijk concurrentievoordeel bieden door kleine series te produceren met een kwaliteit vergelijkbaar met SLA en in een fractie van de tijd. Bijvoorbeeld, in de productie van modellen voor lost-wax gieten, wat wijd gebruikt wordt in sommige takken van de juwelenindustrie en wat kan leiden tot significante besparing, niet alleen in tijd en middelen, maar ook in kosten.

De beslissing tussen de ene of de andere moet gebaseerd zijn op de behoeften van de gebruiker tussen precisie en productiecapaciteit. In veel gevallen moeten ze niet als rivaliserende technologieën worden gezien, maar als complementair, met een team gewijd aan de productie van kleine series en een ander voor meer delicieuze en nauwkeurige werken.