Digital Light Processing (DLP) 3D-Druck:Wie es funktioniert und warum es wichtig ist

Wie funktioniert der 3D-Druck mit digitalem Lichtverfahren?

Beim digitalen Lichtverfahren wird typischerweise eine Bauplattform in einen transparenten Harztank abgesenkt, der mit flüssigem Photopolymer gefüllt ist. Ein hochauflösender Projektor wirft dann UV-Licht in der gleichen Form wie der Querschnitt der Teilschicht auf die Bauplattform. Die Querschnittsprojektion wird mit einer Reihe mikroskopischer Spiegel, DMD genannt, erstellt, die das Licht nur dorthin lenken, wo es benötigt wird. Die Dichte des Arrays bestimmt die Druckauflösung. Bei dieser Art von DLP-Drucker wird das Objekt verkehrt herum erstellt.

In selteneren Fällen, in denen das Teil mit der rechten Seite nach oben gebaut wird, wird eine dünne Harzschicht auf die Bauplattform aufgetragen. Das DMD kann dann Licht von oben nach unten richten, um diese erste Schicht zu bilden. 

Das einzige Photopolymer, das aushärtet, ist dasjenige, das sowohl beleuchtet ist als auch physischen Kontakt mit einer festen Oberfläche (der Bauplattform oder einer vorherigen Schicht) hat. Die meisten umgedrehten DLP-Drucker führen nach jeder Schicht einen Schälvorgang über den Boden des Behälters durch, um jegliches Harz zu entfernen, das am Boden des Behälters ausgehärtet ist. Sobald eine Schicht fertig ist, bewegt sich die Bauplattform um die Dicke einer Schicht nach oben und der Vorgang wird wiederholt, bis das Teil fertig ist. Bei DLP-Druckern mit der rechten Seite nach oben bewegt sich die Bauplattform nach Abschluss einer Schicht um eine Schicht nach unten und eine weitere Harzschicht wird über die vorherige Schicht aufgetragen.

Ein fertiges DLP-Teil besteht praktisch aus Tausenden kleiner Kubikvolumina; Der Querschnitt des Würfels entspricht der projizierten Spiegelgröße und die Würfelhöhe entspricht der Schichthöhe. Jedes dieser kubischen Volumina wird als Voxel bezeichnet.

Tabelle 1:Vor- und Nachteile von DLP

Vorteile Nachteile

Vorteile

Hohe Geschwindigkeit: Da jeweils eine ganze Schicht gedruckt wird, ist der DLP-3D-Druck eine der schnelleren 3D-Drucktechnologien. Einige SLA-Drucker können mit vergleichbaren Geschwindigkeiten drucken, aber DLP übertrifft die Geschwindigkeit anderer Technologien wie FDM bei weitem.

Nachteile

Teurer Rohstoff: Photopolymerharz ist ein spezielles Material und daher deutlich teurer als andere Druckmaterialien wie Kunststofffilamente.

Vorteile

Hohe Detailgenauigkeit: DLP-Drucker können Teile mit sehr hohem Detaillierungsgrad herstellen. Je höher die Auflösung des digitalen Spiegelgeräts, desto detaillierter ist das Teil

Nachteile

Spröde Teile: Starres Photopolymerharz weist normalerweise keine guten mechanischen Eigenschaften auf. Eines der Hauptprobleme besteht darin, dass DLP-Teile sehr spröde sind und leichter reißen können als andere gängige Materialien wie ABS oder Nylon. Belastbarere, elastische DLP-Harze sind teurer als starre.

Vorteile

Gummiähnliche Drucke: Mit DLP können Elastomermaterialien mit einer Shore-A-Härte von etwa 90 gedruckt werden. Das bedeutet, dass funktionale gummiähnliche Teile mit hoher Detailgenauigkeit und komplexen inneren Gitterstrukturen gedruckt werden können. 

Nachteile

Chaotische Nachbearbeitung: DLP-Teile sind nicht direkt nach dem Drucken einsatzbereit. Um die volle Festigkeit zu erreichen, müssen sie zunächst mit einem Lösungsmittel von überschüssigem Harz befreit und anschließend unter UV-Licht nachgehärtet werden.

Was sind die DLP-Druckmaterialien?

In DLP-Druckern funktionieren nur Photopolymermaterialien. Ein Photopolymer besteht aus Monomeren, Oligomeren und Photoinitiatoren. Bei Einwirkung von UV-Licht zerfällt der Photoinitiator in reaktive freie Radikale, die den Polymerisationsprozess einleiten. Die neuen Polymerketten können sich dann untereinander vernetzen und schließlich zu dem Teil aushärten. Die meisten Photopolymere sind so konzipiert, dass sie ähnliche Eigenschaften wie andere gängige technische Thermoplaste aufweisen. Allerdings können sie selten alle mechanischen Eigenschaften auf einmal reproduzieren. Benutzer müssen auswählen, welche Eigenschaft am kritischsten ist. Nachfolgend sind einige gängige Kategorien von DLP-Materialien aufgeführt:

1. Polycarbonat-ähnlich: Hervorragende Festigkeit und Wärmebeständigkeit mit durchscheinendem oder klarem Aussehen.
2. ABS-ähnlich: Hervorragende Zähigkeit und Steifigkeit sowie minimale Schrumpfung
3. Polypropylen-ähnlich: Robustes, schlagfestes Material. Kann für Schnappverbindungen und Filmscharniere verwendet werden. 
4. Fotoelastomere: Hohe Bruchdehnung und hervorragende Schlagfestigkeit.
5. Ausgefüllt: Zu diesen Harzen gehören in der Flüssigkeit suspendierte Keramik- oder Glaspartikel. Sie zeichnen sich durch eine gute Kriechfestigkeit und hohe Wärmeformbeständigkeit aus. 

Was sind die Hauptbestandteile eines DLP-3D-Druckers?

DLP-Drucker haben nur sehr wenige bewegliche Teile. Die wohl kritischsten Komponenten sind der Projektor und die digitalen Mikrospiegelgeräte. Nachfolgend sind alle grundlegenden Teile aufgeführt, aus denen ein DLP-3D-Drucker besteht. 

1. Digitale Lichtprojektor-Leinwand

Der digitale Lichtprojektor ist die Lichtquelle für den Photopolymerisationsprozess. Diese Lichtquelle kann entweder ein Bildschirm oder eine Glühbirne sein. Die Lichtquelle muss UV-Licht abgeben, da diese Wellenlänge energiereich genug ist, um den digitalen Lichtprozess einzuleiten, der das Photopolymer polymerisiert. 

2. DMD (Digital Micromirror Device)

Ein digitales Mikrospiegelgerät ist im Wesentlichen ein Chip mit Hunderttausenden mikroskopischen Spiegeln. Jeder Spiegel kann gedreht werden, indem man an ihn eine elektrische Potentialdifferenz anlegt. Das Licht wird somit in einen Kühlkörper oder in die Linse geleitet, die es auf die Bauplatte fokussiert. Was durch die Linse dringt, polymerisiert das Harz, auf das es trifft. Jeder Spiegel kann einen Durchmesser von bis zu 10 Mikrometern haben.

3. Mehrwertsteuer (Harztank)

Der Harztank beherbergt das flüssige Photopolymer. Der Boden des Harztanks ist klar, um UV-Licht durchzulassen. DLP-Harztanks sind im Vergleich zu SLA-Druckertanks normalerweise recht flach. Eine Alternative zur Verwendung eines Harztanks ist das Verfahren, bei dem das Harz Schicht für Schicht auf die Bauplatte aufgetragen wird, ähnlich wie beim SLS-3D-Druck. 

4. Bauplatte

Eine Grundplatte oder Bauplatte ist die Oberfläche, auf der der Druck während des digitalen Lichtprozesses befestigt wird. Bei den meisten DLP-Druckern steht das Druckbett auf dem Kopf und bewegt sich beim Drucken des Teils langsam eine Schicht nach der anderen nach oben.

5. Aufzug für die Bauplatte

Die Bauplatte bewegt sich über einen Linearantrieb entlang der Z-Achse nach oben. Der gebräuchlichste Linearantriebstyp für diesen Zweck ist eine Kugelumlaufspindel. Anstelle herkömmlicher Gewinde verfügt eine Kugelumlaufspindel über Kanäle für kleine Metallkugellager. Diese Metallkugeln sind in der Kugelmutter untergebracht, um eine gleichmäßige, reibungsarme Bewegung zu ermöglichen. Wenn die Welle durch einen Schrittmotor gedreht wird, bewegt sich die Kugelmutter entweder nach oben oder nach unten. Kugelumlaufspindeln bieten eine gleichmäßige und präzise Bewegung. 

Was ist das beste DLP-3D-Druckharz?

Das beste 3D-Druckharz hängt von der Anwendung ab. Polypropylenähnliche Harze bieten jedoch typischerweise das breiteste Einsatzspektrum. Diese Materialien können sogar zur Herstellung von Teilen mit Einrastfunktionen und beweglichen Scharnieren verwendet werden. 

Wie wird DLP-3D-Druck in der medizinischen Industrie eingesetzt?

Der DLP-3D-Druck wird in der Medizinbranche, insbesondere in der Zahnmedizin, häufig eingesetzt. Präzise Zahnmodelle, anatomische Modelle, chirurgische Hilfsmittel und passgenaue Prothesen eignen sich hervorragend für diese Drucktechnologie.

Wie wird DLP-3D-Druck in der Schmuckindustrie eingesetzt?

DLP-Drucker werden zur Herstellung von Schmuckmustern für Formzwecke verwendet. DLP-Drucker können Teile mit außergewöhnlicher Qualität und Auflösung produzieren, was sie ideal für komplizierte Schmuckstücke macht. Schmuck wird mit CAD-Software entworfen und auf einem DLP-Drucker in 3D gedruckt. Aus dem Teil wird dann eine Gips- oder Silikonform hergestellt. Einige Formenharze zersetzen sich im Ofen vollständig und hinterlassen keine Rückstände. Anschließend wird die Form mit geschmolzenem Metall gefüllt, das die Form des 3D-gedruckten Teils annimmt. Dies ermöglicht es Juwelieren, komplexe Designs relativ einfach zu erstellen und im Vergleich zu eher manuellen Techniken weit weniger Rohmetall zu verwenden. 

Wie wird der DLP-3D-Druck bei der Herstellung von Zwischensohlen eingesetzt?

Gummiähnliche Materialien können per DLP-3D-Druck in die Form von Schuhzwischensohlen mit komplexen inneren Gitterstrukturen gebracht werden. Diese Strukturen bleiben flexibel wie herkömmliche Zwischensohlenmaterialien, begrenzen jedoch die Gesamtmasse. DLP ist dafür gut geeignet, da es komplexe Hohlstrukturen aus Elastomermaterialien so präzise drucken kann.

Häufig gestellte Fragen zum DLP-3D-Druck

Inwiefern ist DLP günstiger als andere 3D-Druckmethoden?

DLP ist nicht die günstigste 3D-Druckmethode, kann aber allein aufgrund seiner Präzision wirtschaftlicher sein als viele andere. Mit DLP können komplexe Gitterstrukturen gedruckt werden, die die Festigkeit dickerer Strukturen nachahmen, ohne so viel Material zu verbrauchen. Seine Drucke erfordern sogar weniger Rohmaterial als SLA-Drucker, die den gleichen Harztyp verwenden. Darüber hinaus arbeiten DLP-Drucker sehr schnell, was eine höhere Produktionsrate ermöglicht und die Gesamtproduktionskosten senkt.

Sind DLP-Drucker in der Lage, riesige, detaillierte Teile zu produzieren?

Nein, DLP eignet sich nicht gut für die Erstellung umfangreicher, detaillierter Teile. Aufgrund der mit der Lichtprojektion verbundenen Auflösungsgrenzen handelt es sich bei DLP um eine kleinformatige Technologie, die nicht für sehr große Teile skaliert werden kann. Aus diesem Grund findet es hauptsächlich in der Medizin-, Schmuck- und anderen Kleinindustrie Verwendung. Massive Teile überlässt man besser Technologien wie SLS (selektives Lasersintern). DLP-Drucker haben ein relativ kleines Druckvolumen und sind darüber hinaus durch die Harzmenge begrenzt, die sicher in einem Harztank aufbewahrt werden kann.

Was ist der Unterschied zwischen DLP und SLA?

Der Hauptunterschied zwischen DLP und SLA ist die Photopolymerisationsmethode; SLA-Maschinen zeichnen den Querschnitt des Teils mit einem UV-Laser nach. DLP projiziert ein komplettes Querschnittsbild und polymerisiert die gesamte Schicht auf einmal. Daher ist DLP in der Regel schneller als SLA, da nicht darauf gewartet werden muss, dass der Laser die gesamte Schichtform durchquert.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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