3D printing: a comparison of the most important processes
In this article, we share our practical experience of prototype development using various 3D printing processes. We discuss the quality and limitations of the respective processes when printing the models.
3D-Druck ist ein sehr vielseitiges Fertigungsverfahren im Prototypenbau und der Kleinserienproduktion. Je nach Anwendungsfall und Ziel bietet es viele Vorteile, jedoch auch Einschränkungen oder Ausschlusskriterien. Im Folgenden beleuchten wir die drei 3D-Druckverfahren, die besonders verbreitet und geeignet für die Produktion von Kunststoffteilen und Werkzeugen im Prototyping und in Kleinserien sind.
1 What is Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing?
Market leaders: Prusa (CZ) and Bambu Lab (CN)
FDM-Drucker waren die ersten Geräte, die für Heimanwender:innen erschwinglich wurden. Das Prinzip ist einfach: Ein Filament, z. B. ABS, PLA, ASA, PETG oder TPU, wird einem Druckkopf zugeführt. Ein Heizelement schmilzt das Thermoplast-Filament auf, das anschließend aus einer Düse herausgedrückt wird. Diese Düse wird CNC-gesteuert und baut Schicht für Schicht das 3D-Modell auf. Ältere Modelle waren dafür bekannt, wartungsintensiv und anspruchsvoll im Handling zu sein. Mittlerweile haben Hersteller wie Prusa oder Bambu Lab kostengünstige Hightech-Geräte auf den Markt gebracht, die viele Probleme der Vergangenheit auf einen Schlag beseitigt haben. Automatische Kalibrierung, Kameraüberwachung und Drucke mit unterschiedlichen Farben sind heute möglich. Die Qualität der Drucke ist allerdings im Vergleich zu Resin- und SLS-Druckern geringer. Die Schichtungen sind sichtbar, und die Nachbearbeitung gestaltet sich zeitaufwendig.
Ultimaker FDM printer printing a part with a support structure
FDM-3D-Druck ist, trotz seiner qualitativen Nachteile, eines der wichtigsten Tools für den Prototypenbau (in manchen Bereichen sogar in der Serie) und durch kein anderes Druckverfahren ersetzbar. Die niedrigen Kosten, die große Auswahl an Filamenten sowie die vergleichsweise großen Druckvolumen bieten erhebliche Vorteile. Noch entscheidender ist jedoch das einfache Handling, das für professionelle Anwender:innen ausschlaggebend ist. Und: FDM ist sauber. Es erfordert grundsätzlich keine Vor- oder Nachbereitungen mit flüssigen Chemikalien oder Pulvern. Das spart viel Zeit und ist im Umgang auch für unerfahrene Nutzer:innen sicher. Was genau die Herausforderungen sind, erfahren Sie im Rest des Artikels. Es sollte jedoch nicht unerwähnt bleiben, dass je nach Druckmaterial eine Abluft notwendig sein kann.
Advantages of FDM printers
Cost efficiency: Inexpensive printers and materials.
Vielfältige Materialien: PLA, ABS, PETG, ASA, TPU etc.
Easy handling: Ideal for beginners and prototyping.
Speed: Modern FDM printers are very fast.
Safety: Operation and handling are comparatively safe.
Large components: Large components can be produced quickly and cost-effectively.
Colors: The color selection for filaments is large and multi-colored prints are possible.
Disadvantages of FDM printers
Low precision: Visible layers and low level of detail.
Limited material properties: Less robust than other processes; no "original materials" can be used, such as in Arburg's Freeformer.
Finishing: Smooth surfaces can only be achieved with a great deal of finishing work.
Product safety: Older, especially DIY FDM printers can pose a safety risk due to overheating. Use only under supervision.
2. what is resin 3D printing (SLA, DLP, LCD)?
Market leader: Formlabs (USA), Anycubic (CN), Elegoo (CN)
SLA-, DLP- und LCD-Drucker sind 3D-Drucktechnologien, die alle mit Harz (Resin) arbeiten und auf photopolymerisiertem Drucken basieren. Das Modell wird Schicht für Schicht in einem Resinbecken aufgebaut. Das Resin ist photoreaktiv und härtet mithilfe von UV-Strahlung chemisch aus. Die drei Drucktechnologien unterscheiden sich im Wesentlichen in der Art und Weise, wie das Licht zur Aushärtung des Harzes genutzt wird.
SLA printing (stereolithography)
Uses a pinpoint laser that cures the resin layer by layer.
Exposure is targeted and sequential, resulting in very high precision.
DLP printing (Digital Light Processing)
Uses a digital projector that projects and cures an entire layer at once.
This method is faster than SLA, as there is no point-by-point exposure.
LCD printing (Masked SLA, MSLA)
Uses a UV light panel and an LCD mask to visualize and cure the shape of a layer.
Similar to DLP, but the LCD display controls which areas of UV light are blocked or transmitted.
Automatic printer cell with NEXA 3D industrial printer
Resin 3D printed parts from the manufacturer Formlabs
Allgemein sind die Druckergebnisse dieser Verfahren sehr präzise und weisen in der Regel keine Probleme mit Schichthaftungen auf. SLA-Drucker bieten dabei die höchste Präzision und werden deshalb häufig z. B. in der Zahnmedizin oder der Schmuckproduktion verwendet. DLP- und LCD-Drucker kommen sowohl in der Industrie als auch bei Hobbyanwender:innen zum Einsatz.
SLA 3D printing in dentistry. On closer inspection, the layers of blue material can be seen.
"The quality of the print results is heavily dependent on the design. Manufacturers only show objects that are suitable for resin printing - and thus deceive their customers!"
Im Hobbybereich werden gern sehr detailreiche Miniaturen ausgedruckt. Die reliefartigen Oberflächen dieser Miniaturen täuschen jedoch schnell darüber hinweg, dass glatte Oberflächen aus demselben Drucker nicht annähernd mit der Qualität von Spritzgussteilen mithalten können. Leicht mattierte Oberflächen bei der richtigen Ausrichtung des Bauteils im Druckraum können allerdings beeindruckend gut (für einen 3D-Druck) ausfallen. Sobald sehr flache Krümmungen horizontal zur Bauplatte gedruckt werden, sind die Schichten – auch bei sehr geringer Schichthöhe – deutlich sichtbar.
"Overhangs that exceed an angle of approx. 35° to the Z-axis are not suitable for visible parts!"
Handling problems and the art of aftercare
Die Nachbehandlung von Resin-Drucken stellt nicht nur eine Herausforderung, sondern ein echtes Problem dar. Je nach Modell ist bereits das Befüllen des Resinbeckens ein Balanceakt. Bei einigen Anbietern kommt das Resin aus Patronen, was im ersten Schritt sauberer ist, später jedoch keine weiteren Vorteile bietet. Sobald die ‚fertigen‘ Teile aus dem Druckraum genommen werden, beginnt das eigentliche Problem: die Nachbehandlung. Sie umfasst Reinigung, Härtung und Schleifen der Bauteile. So einfach, wie es klingt, stellen diese Schritte auch Profis vor Herausforderungen – insbesondere in der Arbeitssicherheit und bei der Entsorgung.
"The resins all have different post-treatment requirements, which are very complex."
IPA ultrasonic bath for cleaning the components after printing.
Viele Teile müssen zunächst in einem Ultraschallbad mit Chemikalien gereinigt und anschließend mit Druckluft getrocknet werden. Vor dem finalen UV-Härten müssen sie eine vorgegebene Zeit ablüften. Einige Resins erfordern mehrere Reinigungsschritte, wobei alle problematische Chemieabfälle produzieren. Ohne eine Absauganlage mit Filtern können die Dämpfe in die Atemwege der Anwender:innen und in die Umwelt freigesetzt werden. Insbesondere günstige Resins lassen Anwender:innen oft ohne klare Anweisungen bei Sicherheitsvorkehrungen zurück. Zu den Handling- und Sicherheitsproblemen kommt der zusätzliche Aufwand bei der Aufbereitung der Teile für die Nutzung. Je nach Geometrie müssen die Teile intensiv geschliffen werden. Schleifspuren treten heller zutage und müssen farblich, z. B. durch Plastikpflegemittel, angepasst werden. Mit Resin-3D-Druckern können im Prototypenbau und mit Einschränkungen auch in der Serie hochwertige Objekte produziert werden. Diese überzeugen im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren durch besonders hohe Oberflächenqualität und Haltbarkeit. Hochwertige und serientaugliche Resins sind jedoch teuer und lohnen sich meist nur für Kleinserien oder sehr aufwendige Bauteile im Vergleich zum Spritzguss. Der Einsatz von Resin-Druckern sollte ausschließlich Profis mit entsprechender Arbeitsschutz- und Arbeitsplatzausstattung überlassen werden. Reinigungslösungen und nicht verbrauchte Resins gelten als Gefahrstoffe und Sondermüll.
VINTER Design nutzt Resin-Drucke primär für Vorserien- und Messeprototypen, die eine besonders seriennahe Optik aufweisen sollen.
Advantages of resin printers:
High level of detail: With its high resolution, ideal for complex geometries and small parts; overhangs and undercuts are sometimes associated with limitations.
Surfaces: The surfaces can be easily reworked; the surfaces are closed.
Variety of materials: flexible, rigid or biocompatible resins are available.
Disadvantages of resin printers:
Costs: Resins and printers are more expensive than FDM.
Sensitivity: Resin is often more brittle than thermoplastic materials. UV-resistant resins suitable for series production are rare.
Environmental and health risks: Resin and vapors require caution when handling; hazardous waste is generated.
Post-treatment: Post-treatment is very complex. In addition to the printer itself, a curing station is always required. In some cases, the support structure has to be reground manually.
Reactivity: Many resins react with addition-curing silicones. Castings from resin 3D prints can cause problems due to cross-linking disorders.
Geometry: Cavities must be provided with drains for excess resin; overhangs can become very messy.
Colors: The color selection of resins is very limited, multi-colored prints are not possible.
3 What is Selective Laser Sintering (SLS) 3D printing?
Drucker, die das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Sintering, SLS) nutzen, verwenden einen Laser, der Pulvermaterialien punktgenau schmilzt und so Schicht für Schicht ein dreidimensionales Objekt aufbaut. Das Besondere dabei ist, dass die Teile in einem Pulverbett gedruckt werden, wodurch keine Stützstruktur erforderlich ist. Überschüssiges und ungebundenes Pulver dient als Stütze für die gedruckten Teile. Überhänge und komplexe Geometrien sind mit dem SLS-Verfahren in gleichbleibender Oberflächenqualität möglich. Auch bewegliche Funktionsteile, wie z. B. Friktionsscharniere, lassen sich aus einem einzigen Teil ohne zusätzliche Montageschritte drucken. Die Oberflächen aus Materialien wie Nylon (Polyamid) oder Polycarbonat sind gleichmäßig rau. Je nach Einsatzgebiet passt diese Ästhetik ohne zusätzliche Veredelung. Ein hochglänzendes Finish ist jedoch nicht möglich. Dafür zeichnen sich die Produkte aus diesen Druckern durch eine hohe Stabilität aus und werden z. B. häufig im Sonderfahrzeugbau für Polizei-, Feuerwehr- oder Militärfahrzeuge eingesetzt.
Flexible strap made of TPU and hard plastic parts made of polyamide in gray and black. Surfaces not treated.
Handling only suitable for industry
Das Handling von SLS-Druckern erfordert professionelle Anwender:innen. Das feine Kunststoffpulver verteilt sich schnell, sodass ein separierter Arbeitsbereich und umfassender Arbeitsschutz obligatorisch sind. Aufgrund der hohen Anschaffungskosten sind SLS-Drucker überwiegend in der Industrie zu finden.
Advantages of SLS printers:
Quality: The components are very stable and do not require a support structure, which means that post-processing is not necessary and all sides are suitable as visible sides. This means that a large number of components can be printed on top of each other without support adhesion.
Wide range of materials: nylon, fiberglass-reinforced plastics and metals.
Complex geometries: Freely movable parts or interlocking structures can be printed "assembled".
Sustainability & efficiency: Some of the excess powder can be reused.
Disadvantages of SLS printers:
High acquisition costs: Expensive printers and operating costs.
Post-processing required: removal of excess powder.
Dust and particles: Potential health risk if handled improperly.
Colors: The choice of colors for powders is very limited; coloring the components is only possible chemically.
Conclusion
Die Wahl des passenden 3D-Druckverfahrens hängt von den spezifischen Anforderungen an das jeweilige Bauteil ab. Während sich FDM-Druck besonders für schnelle Prototypen und Modelle eignet, überzeugen Resin-Drucker durch ihre sehr hohe Detailtreue und Oberflächenqualität. SLS-Druck bietet sich insbesondere für belastbare Bauteile in Kleinserien an und punktet hier mit einer gleichbleibenden Oberflächenqualität, die keinerlei mechanische Nachbearbeitung erfordert. Bei der Anschaffung von 3D-Druckern sind viele Punkte abzuwägen, die potenzielle Käufer:innen häufig erst mit der Inbetriebnahme erkennen. Neben dem geeigneten Verfahren spielen auch die laufenden Betriebskosten, der notwendige Arbeitsplatz sowie Aspekte wie Arbeitsschutz und Entsorgung eine wichtige Rolle. Besonders bei Resin- und SLS-Druck ist die richtige Ausstattung essenziell, um eine sichere und nachhaltige Nutzung zu gewährleisten.
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