Großformat-3D-Druck

11 Tipps für den kostengünstigen 3D-Druck sehr großer Objekte mittels 3D-

Bislang war der 3D-Druck sehr großer Teile kostspielig, langsam und problematisch. Großformatige 3D-Drucker, ihre Software, Wartung und Verbrauchsmaterialien sind allesamt extrem teuer, und die Oberflächenqualität kann immer noch rau sein, was viel Nachbearbeitung erfordert. Eine Möglichkeit besteht darin, kostengünstigere kleine Drucker zu verwenden, um kleinere Teile zu drucken und diese dann sorgfältig zusammenzufügen, doch das ist zeitaufwändiger und die Teile passen möglicherweise nicht richtig zusammen. So oder so ist der Prozess langsam, und Teile könnten während des Druckvorgangs oder – schlimmer noch – später im Einsatz versagen.

Die Markteinführung des Liquid Crystal 3D-Druckers (LC Titan) Photocentric, des größten LCD-Druckers, der je gebaut wurde, eröffnet neue Möglichkeiten für den zuverlässigen und kostengünstigen Druck sehr großer Objekte in hoher Auflösung. Dies dürfte für eine Vielzahl von Unternehmen interessant sein, die große Objekte selbst herstellen möchten.

Diese elf Tipps zeigen die wichtigsten Faktoren auf, die es zu beachten gilt, um beim Drucken sehr großer Objekte Zuverlässigkeit, Auflösung, Teilegenauigkeit, Baugeschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten.

    Tipp 1: Verwenden Sie ein durch freie Radikale und nicht durch Kationen ausgehärtetes Harz

Auf den ersten Blick erscheint der Einsatz von Radikalen kontraintuitiv, da alle großen Lasersysteme kationische Epoxidharze mit Ringöffnung zur Aushärtung großer Objekte verwenden, da die Schrumpfung bei der Ringöffnung naturgemäß geringer ist als bei der Doppelbindungsspaltung. Durch geschickte Formulierung lässt sich die Schrumpfung in Radikalsystemen jedoch minimieren, wodurch diese gegenüber kationischen Systemen einige erstaunliche Vorteile bieten. Die Polymerisation verläuft wesentlich schneller, und bei der Herstellung großer Objekte macht dies einen enormen Unterschied bei der Auslastung der teuren Anlagen, wodurch diese um ein Vielfaches produktiver werden. Die radikalische Polymerisation erzeugt irreversible, starke chemische Bindungen, die zu den langlebigsten in der Natur gehören, sodass die Teile funktionsfähig sind. Die Bandbreite der verfügbaren Eigenschaften ist bei der radikalischen Polymerisation wesentlich größer und reicht von hart bis elastomer.

Großformat-3D-Drucker – Liquid Crystal , der größte LCD-3D-Drucker

    Tipp 3: Drucken Sie lieber mit Tageslicht als mit UV-Licht

Beim Drucken mit LCD geht man gemeinhin davon aus, dass UV-Licht (405 nm) die Polymerisation schneller in Gang setzt, da es im Verhältnis mehr Energie überträgt als sichtbares Licht (460 nm). Sichtbares Licht (oft als Tageslicht bezeichnet) härtet jedoch über große Flächen hinweg gleichmäßiger aus und sorgt so für eine besser kontrollierte Umwandlung der Doppelbindungen. Dies ermöglicht eine gleichmäßige und gleichzeitige Aushärtung im gesamten Bauvolumen und sorgt für eine gleichmäßigere Aushärtungstiefe, unabhängig von Schwankungen in der Intensität.

Die Tageslicht-Aushärtung sorgt für Teile von höherer Qualität, ohne dass der LCD-Bildschirm durch UV-Strahlung beschädigt wird, was mit der Zeit zu einer Verschlechterung der Druckqualität führen würde. Photocentric bereits mehr als 5 Millionen Objekte mit Tageslicht gedruckt, und diese Technologie hat sich als bewährte Wahl für digitale Massenfertigungsprozesse im Dauerbetrieb erwiesen.

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    Tipp 4: Konstruieren Sie das Bauteil so, dass Schrumpfung entgegengewirkt und Verformungen vermieden werden

Bei allen Druckverfahren kommt es zu Schrumpfung, doch große Teile schrumpfen absolut gesehen am stärksten. Entscheidend ist, zu verstehen, wie sich die Schrumpfung auf die Strukturen auswirkt, und dann zu verhindern, dass sie die endgültige Form verzerren. Die richtige Software richtet das Teil so aus und stützt es, dass sich die Struktur beim Ablösen nicht ablöst. Die Kräfte müssen gleichmäßig über ein dichtes Stütznetz verteilt werden, um die Druckzuverlässigkeit zu gewährleisten.

Verformungen lassen sich durch den Einsatz des „Weave“-Verfahrens Photocentricverhindern, einem Software- und Konstruktionssystem, das zuverlässig große Teile druckt und sogar sehr große, ebene und flache Oberflächen erzeugt. Das Weave-Verfahren ermittelt die erforderliche physikalische Festigkeit, die das Teil aufweisen muss, wenn es Kräften aus verschiedenen Richtungen ausgesetzt ist, und entwirft es dann so, dass diese Kriterien erfüllt werden, während es gleichzeitig zur Gewichtsreduzierung optimiert wird. Dabei kommen Techniken wie die Gitterbildung bei massiven Teilen zum Einsatz, um die Masse zu reduzieren und Verformungen zu vermeiden. Die Gitterstruktur zieht sich in sich selbst zusammen, um isotopisch konstant zu bleiben. Gedruckte Objekte bestehen dann zudem nur aus dem Material, das zur Erzielung der erforderlichen Festigkeit notwendig ist.

    Tipp 5: Kostengünstig drucken

Um die tatsächlichen Kosten für die Herstellung großer Teile zu ermitteln, müssen Sie die Gesamtbetriebskosten (TCO) für den gesamten Prozess berechnen, nicht nur das Gewicht des Harzes. Einige 3D-Druckerhersteller steigern ihre Umsätze zusätzlich durch teure Wartungsverträge, Softwarelizenzen mit horrend teuren Verlängerungen, kostspielige Ersatzteile (insbesondere bei Lasern) und betrachten Technikerbesuche als Einnahmequelle.

Photocentric die Gesamtbetriebskosten (TCO) für die auf dem Titan hergestellten Teile Photocentric – dies ist die entscheidende Kennzahl, die ein Kunde kennen muss. Es sollte möglich sein, ein Beispielteil zu nehmen und die TCO dafür zu ermitteln, wenn Maschinen von Mitbewerbern verwendet werden. Der LCD-Druck hat den geringsten Stromverbrauch aller 3D-Druckverfahren und verursacht, sofern das Harz wiederverwertet wird, den geringsten CO₂-Fußabdruck. Der Titan nutzt Tageslicht anstelle von UV-Licht, wodurch die Lebensdauer des Bildschirms verlängert wird. Photocentric die Hardware und die Verbrauchsmaterialien Photocentric und verwendet sie zur Herstellung von Teilen. Daher weiß das Unternehmen, wie wichtig es ist, die Gesamtbetriebskosten so niedrig wie möglich zu halten.

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    Tipp 6: Drucken Sie von unten nach oben statt von oben nach unten

Intuitiv erscheint es logisch, dass beim Drucken sehr großer Objekte mit Harz der Druck von oben nach unten am besten funktioniert. Die Schwerkraft wirkt dem Druck zugute, da sich das Teil in den Behälter absenkt, wobei die Flüssigkeit die wachsende Struktur stützt, und es keine Ablösekräfte gibt, die es zu bewältigen gilt. Wenn man diese Probleme jedoch in den Griff bekommt, sind die Vorteile des Drucks von unten nach oben wesentlich größer. Es gibt keinen Behälter mit sehr teurem Harz, der instabil werden könnte, es gibt keine Probleme beim Wechseln der Harzsorten, die Teile und die Plattform trocknen während des Druckvorgangs ab und die Plattform lässt sich leicht in den Waschbereich bewegen.

Titan arbeitet mit einem Bottom-up-Druckverfahren, bei dem Harze mit hoher Anfangsfestigkeit und geringer Schrumpfung zum Einsatz kommen, sowie mit einem integrierten Abhebe-Mechanismus, der das Bauteil zusammen mit der Plattform aus dem Behälter löst und so die Abhebekräfte eliminiert. Der riesige Bauraum von Titan würde erfordern, dass allein für den Start eines Druckvorgangs in einer Top-down-Konfiguration eine Drittel Tonne Harz gekauft und eingefüllt werden müsste. Stattdessen arbeitet Titan mit einer konstanten Menge von 5 kg Harz im Behälter. Die Plattform und das Teil sind am Ende des Druckvorgangs weitgehend trocken, was die Verschmutzung beim Waschen reduziert und das Herausheben sowie das Einlegen in die Waschvorrichtung über die speziell dafür entwickelte Transfereinheit erleichtert.

    Tipp 7: Verwenden Sie die richtigen Nachbearbeitungstechniken und recyceln Sie den Harzreiniger

Ihre Probleme fangen vielleicht erst richtig an, wenn Sie Ihren perfekten Druck auf der Plattform betrachten, denn die Nachbearbeitung großer Objekte ist technisch wesentlich anspruchsvoller als bei Objekten im Desktop-Format. Um erfolgreich zu sein und den Ausschuss zu reduzieren, benötigen Sie eine bewährte Workflow-Lösung mit Wasch- und Aushärtungsprozessen direkt auf der Plattform. Das Entfernen der Teile vor der Bearbeitung mag die Handhabung vereinfachen, doch bei Systemen mit freien Radikalen bleibt die Isotropie der Teile dadurch nicht erhalten. Um dies zu erreichen, müssen Sie die Teile vollständig auf der Plattform nachbelichten. Es ist unpraktisch, große Tanks mit Waschflüssigkeit zu füllen, da die doppelte Druckhöhe erforderlich ist, damit die Plattform vollständig angehoben werden kann. Aus diesem Grund erfolgt die Reinigung effektiver mit gerichteten Strahlen eines Harzreinigers. Das Aushärten großer Teile ist zudem problematischer als bei kleineren, da die Aushärtung auf allen Oberflächen gleichmäßig erfolgen muss, um ein nicht-isotropes Schrumpfen einer Seite zu verhindern. Beim großformatigen 3D-Druck fällt viel Abfall-Harzreiniger an, der gesammelt werden muss; dieser muss effektiv entsorgt werden. Was ökologisch richtig ist, ist mittlerweile auch finanziell sinnvoll, und gesättigter Harzreiniger sollte zurückgewonnen werden.

Photocentric speziell für diesen Zweck entwickelte Wasch- und Aushärtungsgeräte. Das Titan-Waschgerät wurde speziell dafür konzipiert, die Strahlen manuell in schwer zugängliche Bereiche zu lenken, und das Titan-Aushärtungsgerät liefert die erforderliche Wärme und das Licht gleichmäßig, wobei sich die Plattform dreht, um eine gleichmäßige Aushärtung zu gewährleisten. Der Harzreiniger Photocentricist sicher in der Anwendung und nicht brennbar und kann zudem mit der dafür vorgesehenen Harzrückgewinnungsanlage endlos recycelt werden. Dies sorgt für eine schnelle Amortisation und erzeugt Material, das unter Sonneneinstrahlung verfestigt und anschließend deponiert oder verbrannt werden kann, sowie Harzreiniger, der wiederverwendet werden kann.

    Tipp 8: Härten Sie den gesamten Bauraum gleichzeitig aus

SLA (Stereolithografie) oder der Harzdruck mit Licht ist das einzige Verfahren, das großformatige Drucke mit funktionaler Festigkeit und hoher Detailauflösung liefert. LCD ist das einzige SLA-Verfahren, das diese Vorteile bietet und dabei schnell arbeitet. Das liegt daran, dass LCD-Bildschirme große Flächen gleichzeitig aushärten, während andere Verfahren sehr kleine Bereiche oder sogar nur einzelne Pixel nacheinander aushärten.

Der 8k-LCD-Bildschirm (7660 × 4320 Pixel) des Titan ermöglicht es dem Benutzer, über 33 Millionen Pixel zu steuern, die alle gleichzeitig geschaltet werden können. Dadurch kann der Benutzer in kurzer Zeit riesige Flüssigkeitsmengen in Feststoffe umwandeln, was eine um eine Größenordnung höhere Kapazität bietet als bei der Verwendung von Lasern.

    Tipp 9: Drucken Sie mit optimierten Einstellungen

Das Drucken von unten nach oben ist zweifellos einfacher und kostengünstiger als von oben nach unten, aber auch wesentlich weniger fehlerverzeihend. Es erfordert sowohl eine Optimierung des Prozesses als auch der Einstellungen. Es ist unerlässlich, die Ablöse- und Schwerkraftkräfte zu überwinden, da das große Bauteil im Raum hängt und sich zudem vom Film im Druckbehälter ablösen muss. Damit dies jedes Mal über Tausende von Schichten hinweg funktioniert, muss der Druckprozess innerhalb breiter Betriebsgrenzen ablaufen. Der Belichtungsspielraum muss groß genug für die Polymerisation sein, ohne Überbelichtung, unter Berücksichtigung angemessener Temperaturschwankungen. Die Verzögerung und die Hubgeschwindigkeit müssen so eingestellt werden, dass Kräfte und Flüssigkeitsströme nahezu eliminiert werden. Die Zugabe von Harz muss automatisch gesteuert werden, damit nur das polymerisierte Harz ersetzt wird. Das verbesserte Ablöseverfahren durch Anheben oder Absenken des Behälters, wobei Luft unter den Behälter geblasen wird.

Photocentric die beim Anheben beim Bottom-Up-Druck auftretenden Kräfte durch den Einsatz seiner patentierten Blow-Peel-Technologie umgangen, bei der unmittelbar vor dem Anheben der Plattform Luft unter den Druckbehälter geblasen wird. Dadurch ändert sich der Winkel, in dem sich das Teil von der Druckbehälterfolie löst, was ein schnelleres Ablösen des Drucks von der Folie mit geringerer Kraftaufnahme ermöglicht und somit für gleichbleibende Druckergebnisse sorgt. Photocentric 9 Jahre Erfahrung im großformatigen 3D-Druck, die zu den optimierten Druckeinstellungen geführt haben, die im Titan verwendet werden und eine hohe Leistung bieten, ohne Kompromisse bei Zuverlässigkeit oder Qualität einzugehen.

    Tipp 10: Verwenden Sie Harze mit hoher Anfangsfestigkeit und ausreichender Eindringtiefe

Die „Green Strength“ – also die Festigkeit des Bauteils zum Zeitpunkt des Drucks im Gegensatz zu seiner endgültigen Festigkeit nach der Aushärtung – ist das entscheidende Kriterium für einen erfolgreichen großformatigen 3D-Druck. Große Bauteile erfordern eine hohe Anfangsfestigkeit, damit sie während des Druckvorgangs an Ort und Stelle bleiben. Ist die „Green Strength“ zu gering, reißt das Bauteil einfach auseinander und delaminiert entlang seiner Schichten. Große Teile profitieren davon, dass sie mit einer größeren Aushärtungstiefe gedruckt werden können, da sich die Druckzeit durch dickere Schichten erheblich verkürzen lässt. Wenn man ein sehr großes Objekt in sehr kleinen Schichten aushärtet, möchte man, dass dies schnell geschieht. Entsprechend muss das Teil anschließend gut aussehen, d. h. es darf keine unschönen Schichtlinien geben, die viel Schleifen oder Polieren erfordern.

Um einen zuverlässigen großformatigen 3D-Druck zu ermöglichen, Photocentric Harze entwickelt, die eine sehr hohe Grünfestigkeit aufweisen und ansprechende Teile ergeben, die von Spritzgussteilen kaum zu unterscheiden sind. Photocentric Magna Hard Black (für die Prototypenentwicklung) und Durable DL110HB (für hohe Zähigkeit) in Titan. Normalerweise beträgt die dünnste Schicht im großformatigen 3D-Druck 100 Mikrometer, doch Titan liefert bereits bei Schichtstärken von 250 und sogar 350 Mikrometern eine sehr hohe Auflösung und beeindruckend aussehende Teile.

    Tipp 11: Verwenden Sie die richtige Software für Stützstrukturen und Hohlräume

Fehler beim Drucken großer Teile sind wesentlich kostspieliger als bei kleineren Formaten. Die Folgen, wenn man erst am Ende eines Druckvorgangs, der einen Tag oder länger gedauert hat, einen Fehler entdeckt, sind gravierend: Termine werden verpasst und Zeitpläne müssen neu organisiert werden. Ein wesentlicher Faktor für wiederholten Erfolg ist der Einsatz der richtigen Software. Diese muss das Teil so weit wie möglich aushöhlen, um Kosten und Gewicht zu reduzieren, und wo möglich Gitterstrukturen einfügen, um es noch leichter, stabiler und weniger schrumpfungsanfällig zu machen. Sie muss Entlüftungslöcher einbringen, um ein Aufwölben zu verhindern, und natürlich ein Netzwerk aus Stützstrukturen erstellen, damit nicht gestützte Teile gedruckt werden können und die Isotropie beim Ablösen erhalten bleibt. Das manuelle Stützen eines großen Teils kann sehr zeitaufwendig sein, aber eine automatische Stützfunktion muss in der Lage sein, die Beziehungen zwischen den Oberflächen zu verstehen. Sie muss feine Stützspitzen erzeugen können, um übermäßige Nachbearbeitung zu vermeiden, aber mit einem starken, miteinander verbundenen Netzwerk aus Verzweigungen, das gleichzeitig nicht viel Harz verschwendet.

Anlässlich der Markteinführung von Titan Photocentric eine verbesserte Version seiner 3D-Druck-Software „Studio“ entwickelt, die es ermöglicht, große Bauteile automatisch und optimal mit sehr feinen Stützspitzen und einem stabilen, miteinander verbundenen Stützgitter zu stützen. Darüber hinaus bietet die Software die Möglichkeit, zusätzlich zu ihrer integrierten Bibliothek beliebige vorgefertigte Gitterstrukturen zu importieren.