Die am häufigsten eingesetzten 3D-Druck-Verfahren sind Fused Deposition Modeling (FDM) und Stereolithographie (SLA).
Aber was sind die jeweiligen Vor- und Nachteile von FDM- und SLA-3D-Druck?
Wir vergleichen die beiden Verfahren anhand von:
- Baugröße
- Druckgeschwindigkeit
- 3D-Druck-Materialien
- Festigkeit und Haltbarkeit
- Präzision und Qualität
- Einsatzfelder in verschiedenen Industrien
Seit ihrer Einführung in den 80er Jahren haben sich diese damals bahnbrechenden 3D-Druck-Technologien durch verbesserte Materialien, höhere Geschwindigkeiten und Auflösungen und größere Bauräume weiterentwickelt. Verschiedene Hersteller und Anbieter bieten unterschiedliche Spielarten der FDM- oder SLA-Technologien an, und jede ist auf ihre Weise einzigartig.
Ähnlich der Automobilindustrie, in der man beispielsweise die Vor- und Nachteile eines SUV im Vergleich mit einem Kombi betrachtet, gibt es auch hier eine Vielzahl von Anbietern und Produkten zur Auswahl. Das kann kompliziert sein, aber es liegt an uns, Ihnen diese Aufgabe zu erleichtern. Daher beginnen wir damit, die grundsätzlichen Unterschiede zwischen FDM und SLA zu erklären. Danach werden Sie in der Lage sein zu beurteilen, welche Technologie in ihrem Unternehmen und für Ihre Anwendung die richtige ist.
Was ist FDM-3D-Druck?
Fused Deposition Modeling (FDM), auch als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet, ist die auf dem Markt am weitesten verbreitete 3D-Drucktechnologie. FDM-3D-Drucker arbeiten typischerweise mit einem oder zwei Extrudern, die thermoplastische Filamente verarbeiten. Das Filament wird auf einer Spule aufgewickelt in die Maschine eingeführt, dann aufgeschmolzen und auf einer vorher berechneten Bahn auf eine beheizte Druckplatte aufgetragen. Während das Material abkühlt, verbindet es sich zu einem dreidimensionalen Bauteil. Es gibt FDM-Drucker in den verschiedensten Größen und für unterschiedlichste Materialien, und das in einer Preisspanne von 5.000 EUR bis hin zu 500.000 €. Die Materialien, sie sich verarbeiten lassen, umfassen beispielsweise ABS, ASA und PLA. Einige neue 3D-Drucker ermöglichen auch die Verarbeitung von stärkeren und haltbareren Materialien wie beispielsweise kohlefasergefüllten Kunststoffen oder Nylon.
Vorzüge
Im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren ist FDM relativ preisgünstig und bietet meist die zuverlässigsten Resultate in Bezug auf Wiederholbarkeit und Festigkeit. Außerdem sind Nachbearbeitungen von FDM-Bauteilen einfach durchzuführen und größtenteils unbedenklich.
Schwächen
Das Extrudieren thermoplastischer Materialien durch eine Düse sorgt für einige Herausforderungen bezüglich erreichbarer Toleranzen und Auflösungen. Anders als andere Druckverfahren kann FDM deutlich sichtbare Linien oder durch das Aufheizen und Abkühlen des Materials verursachte Fehlstellen hinterlassen.
Was ist SLA-3D-Druck?
Die Stereolithographie (SLA) kam in den 1980er-Jahren auf den Markt und ihre Vorzüge wurden von Auftragsfertigern und den Herstellern von Verbrauchsgütern schnell erkannt. Anstelle des Filaments verarbeiten SLA-3D-Drucker Photopolymere - lichtempfindliche Materialien, die ihre Eigenschaften verändern, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Beim SLA-Verfahren kommt statt der Düse ein Laser zum Einsatz, der ein flüssiges Harz selektiv aushärtet, um dadurch ein festes Bauteil zu erstellen. Dieser Prozess wird als Photopolymerisation bezeichnet. Er ermöglicht höher aufgelöste und wasserdichte Bauteile, die zudem isotrope Eigenschaften haben. Photopolymere sind duroplastische Materialien, d.h., dass sie ein anderes Verhalten als Thermoplaste aufweisen. Ähnlich wie bei FDM gibt es unterschiedliche SLA-Drucker auf dem Markt, in verschiedenen Größen und Preisspannen sowie mit der Eignung für verschiedene Materialien.
Vorzüge
Die Verwendung eines Lasers erlaubt eine extrem hohe Genauigkeit, wodurch Bauteile mit weitaus besseren Auflösungen als mit anderen Verfahren hergestellt werden können. Wenn Sie also ein Bauteil benötigen, das hohen ästhetischen Ansprüchen genügt, dann sollten Sie SLA in Betracht ziehen.
Schwächen
SLA bietet zwar Vorteile beim Aussehen der Teile, hat aber Nachteile bei der Festigkeit. Zwar gibt es SLA-Materialien, die speziell mit dieser Zielsetzung entwickelt wurden, es ist aber beinahe unmöglich, die mechanischen Eigenschaften von Materialien wie ABS, Nylon und anderen Filamenten nachzubilden, die bei FDM zum Einsatz kommen. Wenn Ihre Bauteil Funktionstests unterzogen werden sollen, dann empfehlen wir Ihnen, auf FDM zurückzugreifen.
FDM vs. SLA: Die Auswahl der richtigen Technologie
Baugröße
Sie drucken große Bauteile oder benötigen ein Druckbett, das groß genug ist um eine Vielzahl kleinerer Teile gleichzeitig drucken zu können? Es ist nicht einfach, einen 3D-Drucker zu finden, der große Bauteile drucken kann. „Groß“ ist selbstverständlich subjektiv und es ist wichtig herauszufinden, was „groß“ für Sie bedeutet. Beim Arbeiten mit dreidimensionalen Objekten darf man natürlich die Höhe, d.h. die Z-Richtung nicht außer Acht lassen. Denn auch durch die entsprechende Ausrichtung lassen sich Festigkeit und Aussehen eines Bauteils optimieren. Beim Vergleich verschiedener Technologien ist es wichtig herauszufinden, welche Teile Sie derzeit 3D-drucken wollen und gleichzeitig für zukünftige Vorhaben zu planen. Die meisten Nutzer bedauern, keinen größeren Bauraum zur Verfügung zu haben.
Aufgrund technologischer Beschränkungen ist es schwierig oder sogar unmöglich einen großformatigen SLA-3D-Drucker zu finden. Zum einen bedeutet ein derart großer Harzbehälter auch eine große Menge an Abfall. Zum anderen werden die Einzelteilkosten höher sein, weil die Materialien teurer sind. Schlussendlich ist zwar die Genauigkeit eines laserbasierten Verfahrens höher und damit für feiner aufgelöste Bauteile besser, das führt aber zu deutlich längeren Druckzeiten.
★ Der FDM-3D-Druck stellt schon seit geraumer Zeit das Mittel der Wahl für den Druck großer Bauteile dar und ist das auch noch immer. Unabhängig von Bauteil oder Größe des Bauraums ermöglichen es die dem FDM-Verfahren inhärenten Eigenschaften, immer und immer wieder die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Zudem fällt deutlich weniger Abfall an und die Produktion großer Teile bzw. einer Vielzahl von Teilen benötigt deutlich weniger Zeit als viele der SLA-Alternativen. Einfach gesagt ist es kostengünstiger, mittels FDM zu produzieren.
Druckgeschwindigkeit
Im derzeitigen extrem wettbewerbsorientierten Markt - sei es in Handel oder Industrie - ist die Geschwindigkeit, mit der Produkte entwickelt und produziert werden können von höchster Bedeutung, um Early Adopter zu überzeugen und Marktanteile zu gewinnen. Der 3D-Druck gibt Ihnen diesen entscheidenden Vorsprung und ermöglicht die autonome Fertigung von Bauteilen über Nacht. Da herkömmliche Fertigungsmethoden ohnehin länger dauern als SLA oder FDM, spielt die Geschwindigkeit bei der Entscheidung zwischen diesen beiden Verfahren keine so große Rolle. Wenn Sie die mit 3D-Druck erreichbaren Geschwindigkeiten benötigen, dann lassen Sie uns als nächstes die Ästhetik beziehungsweise die mögliche Auflösung betrachten.
SLA sorgt für optisch hervorragende Drucke, weil sich aufgrund der eingesetzten Lasertechnologie Schichtdicken von 25 Mikrometern drucken lassen. Wenn man die Bauteilgröße in Betracht zieht, dann lässt sich die zu erwartende Druckzeit genau bestimmen. Im Vergleich zu FDM ist die Geschwindigkeit meist deutlich geringer.
★ FDM bietet allerdings für gewöhnlich verschiedene Düsengrößen (0,6mm, 1mm, 2mm) und gibt dem Benutzer damit die Möglichkeit, den Druckvorgang zu beschleunigen. Im Vergleich zu SLA ist FDM bedeutend schneller. Das bedeutet aber auch gewisse Abstriche machen zu müssen. Der Materialauftrag mittels einer Düse führt zu höheren Schichtdicken. Es läuft darauf hinaus, dass Sie die an Ihr Bauteil gestellten Anforderungen betrachten müssen, um sich dann zwischen Auflösung und Geschwindigkeit zu entscheiden.
Materialien
Ohne die entsprechenden Materialien ist ein 3D-Drucker nutzlos. Wie sieht Ihr Test- und Evaluationsprozess während der Prototypenphase aus? Wie wichtig ist es für Sie, dass Prototypen und Bauteile mechanische Eigenschaften aufweisen, die identisch zu denen der späteren Serienbauteile sind? Ist ihr Entwicklungsteam an der chemischen Widerstandsfähigkeit der Bauteile interessiert? Oder an der elektrischen Leitfähigkeit? Bei der Entscheidung für die richtige 3D-Drucktechnologie sind viele Dinge zu bedenken, aber nichts ist so wichtig wie das Verständnis der Materialeigenschaften.
SLA-Materialien sind ideal für Nischenanwendungen, im Vergleich zu FDM können sie aber bezüglich Festigkeit und Funktionalität nicht mithalten. Einige SLA-Materialien sind beispielsweise biokompatibel, was sie in Verbindung mit der hohen erzielbaren Auflösung zu einer idealen Lösung für Prototypen in der Medizintechnik oder auch für dentaltechnische Anwendungen macht. Die mechanischen Eigenschaften von SLA-Materialien erfüllen allerdings meist nicht die Anforderungen, die im industriellen bzw. kommerziellen Umfeld gestellt werden.
★ Wenn Sie Materialien benötigen, die in ihren Eigenschaften dem Endprodukt so nahe wie möglich kommen, dann sollten Sie FDM in Betracht ziehen. Standardisierte Thermoplaste wie ABS, PLA und Nylon kommen in vielen Industriezweigen zum Einsatz und stehen auch für die meisten FDM-Plattformen zur Verfügung. Bezüglich Festigkeit und Haltbarkeit sind die im FDM-Verfahren verwendeten Materialien SLA überlegen. Das vereinfacht Produkttests und erlaubt es Ingenieuren, die Produktentwicklung zielstrebig voranzutreiben.
*FDM-3D-Druck weist gegenüber SLA den einzigartigen Vorteil auf, dass sich Bauteile mit variablen Dichten drucken lassen. Während die Funktionalität des Bauteils beibehalten wird, können innenliegende Wabenstrukturen gedruckt werden, die das Gesamtgewicht reduzieren. Erfahren Sie, wie Sie ihre Konstruktion optimieren können.
Festigkeit & Haltbarkeit
Prototypenentwicklung und Produktvalidierung können Bauteile im Laufe der entsprechenden Tests stark beanspruchen. Jeder Industriezweig muss in einem gewissen Umfang nachweisen, dass ihre Produkte die an sie gestellten Anforderungen erfüllen, und große Firmen betreiben hierfür den entsprechenden Aufwand. Wie bereits erwähnt, sind die bei FDM verwendeten Materialien denen von SLA bezüglich Festigkeit und Haltbarkeit überlegen. Auf einem 3D-Drucker gedrucktes ASA ist UV-resistent und damit ideal für Außenanwendungen geeignet (Gartengeräte, Ausrüstung für Arbeiten am Haus etc.). Nylonmaterialien werden oft für Bauteile im Automobilbereich verwendet, weil dort eine lange Haltbarkeit gefordert ist.
Wenn Bauteile in rauen Umgebungen eingesetzt werden, dann neigen SLA-Materialien eher dazu zu brechen oder sich zu verformen, weil die mechanischen Eigenschaften schlichtweg nicht denen der finalen Bauteile entsprechen. Wenn Sie die Entscheidung über die richtige Technologie für ihre Anwendung treffen, dann bedenken Sie immer die Umgebung, in der die Teile eingesetzt werden sollen. Manches sieht im Labor oder in der Werkstatt schön aus, aber am Ende muss es in der realen Welt funktionieren.
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Präzision & Qualität
Präzision und Qualität sind subjektive Begriffe, die sich immer auch am Einsatzzweck orientieren müssen. Nutzer aus der Consumer- und Verpackungsbranche arbeiten mit engen Toleranzen, weil Serienbauteile schlussendlich im Spritzguss hergestellt werden. Hohe Präzision ist hier also unabdingbar. Ein schneller 3D-Drucker oder die Möglichkeit, fortgeschrittene Materialien zu verarbeiten sind großartig, aber entsprechen sie auch dem, worauf ihre Konstruktion abzielt?
Wenn ihr Produktentwicklungsprozess im Endeffekt auf eine Massenfertigung im Spritzgussverfahren hinausläuft, dann kann SLA das richtige Verfahren für Sie sein. Wenn Sie allerdings hochqualitative Bauteile für industrielle Anwendungen brauchen, dann sollten Sie über FDM nachdenken. Maßgeschneiderte Vorrichtungen und Aufnahmen, die für den Einsatz in einem Fertigungsumfeld gedacht sind, müssen die gewünschte Funktionalität aufweisen. Es ist aber nicht erforderlich, dass sie auch kosmetisch einwandfreie Oberflächen besitzen. Mit dem grundlegenden Verständnis der späteren Anwendung können Sie Erwartungen und Ansprüche definieren und festlegen, welche 3D-Drucktechnologie die für Sie am besten geeignete ist.
Anwendungen & Branchen
Laut AMFG nimmt die Nutzung des 3D-Drucks in Fertigungsstätten weltweit zu; über 70 % der befragten Unternehmen gaben an, neue Anwendungen für den 3D-Druck gefunden zu haben (Sculpteo, 2019). Die Anzahl der Hersteller, die 3D-Druck für die Herstellung von Serienbauteilen nutzen, hat sich von 2018 auf 2019 verdoppelt, und bei einer jährlichen Wachstumsrate von 18,2 - 27,2 % beträgt das für 2022 erwartete Marktvolumen über 20 Mrd. Euro. Der 3D-Druck wird hierbei von einer Vielzahl an Industrien, Anwendungen und Use-Cases vorangetrieben.
Luft- und Raumfahrt
In ihren Teilbereichen Luftfahrt, Raumfahrt und Satellitenentwicklung stellt die Luft- und Raumfahrtindustrie eine Herausforderung für den Einsatz und die Umsetzung der 3D-Drucktechnolgie dar. Die strengen Anforderungen bezüglich Funktionalität schränken den Einsatz von SLA-3D-Druck ein, weil die nutzbaren Materialien keinen Einsatz in rauen Umgebungen zulassen.
Hochentwickelte thermoplastische Materialien, wie sie bei FDM verwendet werden, weisen eine hohe Festigkeit oder auch ESD-Eigenschaften auf und werden in der Prototypenentwicklung und für die Fertigung von Teilen der Kabineneinrichtung genutzt. Die bereits erwähnte inhärente Möglichkeit des FDM-Drucks, leichte Strukturen zu erzeugen, stellt insbesondere im Rahmen der Anforderungen der Luft- und Raumfahrttechnik einen einzigartigen Vorteil dar.
FDM ★★★★★
SLA ★★
Automobilbranche
In der Automobilbranche kommen oft ABS und Polypropylen für das Prototyping und auch für Serienbauteile zum Einsatz. Wenn es um die Herstellung von Prototypen, Vorrichtungen, Bohrschablonen und Bauteilen in geringen Stückzahlen geht, dann wird meistens zur FDM-Technologie gegriffen, weil diese Anwendungen hohe Anforderungen an die Robustheit und Langlebigkeit der Materialien stellen.
Auch die Möglichkeit, Materialien einzusetzen, die eine hohe Resistenz gegenüber Chemikalien aufweisen und ihre Eigenschaften beispielsweise auch nach dem Kontakt mit Benzin beibehalten, führt oft dazu, dass Ingenieure in der Automotive-Industrie gerne das FDM-Verfahren wählen. Allerdings besitzt SLA Vorteile, wenn durchsichtige Automobilteile gedruckt werden sollen, die bei Tests von Reflektoren und Beleuchtungssystemen zum Einsatz kommen.
FDM ★★★★★
SLA ★★
Konsumgüter
Die Konsumgüterindustrie umfasst einen riesigen Bereich – von Küchengeräten bis zu Spielzeug, und von Handwerkzeugen bis zu elektronischen Geräten. Eine schnelle Markteinführung ist äußerst wichtig, daher erfordert die Produktentwicklung kurze Iterationszyklen und sofortiges Feedback. Oft werden Produkte ausgewählten Kunden vor dem Launch präsentiert, und müssen in Form, Eignung und Funktionalität überzeugen.
Hier kommt es nicht selten vor, dass in der Prototypenentwicklung oder frühen Validierungsstufen beide Verfahren zum Einsatz kommen. So kann beispielsweise ein Handwerkzeug eine ABS-Kunststoffschale mit guten ESD-Eigenschaften besitzen, die mit einem weichen, SLA-gedruckten TPU-Griff kombiniert wird. Meist ist die Möglichkeit, mit SLA Teile in höherer Auflösung zu drucken als mittels FDM attraktiver für die Hersteller von Konsumgütern.
FDM ★★★
SLA ★★★★★
Gesundheitswesen
Das Gesundheitswesen umfasst die Entwicklung von Medizinprodukten, Hilfsmittel für die Ausbildung und Anwendungen wie Dentalprodukte und Hörhilfen. Für gewöhnlich müssen Prototypen und finale Medizinprodukte sterilisierbar sein, d.h., dass die verwendeten Materialien in Autoklaven bestimmten Temperaturen widerstehen können müssen. Sowohl SLA als auch FDM bieten entsprechende Materialien, erfordern aber etwas Recherche.
Modelle und andere Hilfsmittel, die bei der Ausbildung zum Einsatz kommen, erfordern für gewöhnlich eine höhere Auflösung, da sie zur Kommunikation von Inhalten dienen – hier ist SLA ideal geeignet. In der Dentaltechnik wird fast ausschließlich SLA eingesetzt, bei Hörhilfen teilen sich SLA und FDM den Markt. Aufgrund der Anforderungen im Gesundheitswesen und der Bedeutung kleinster Strukturdetails ist hier SLA meist vorzuziehen.
FDM ★★★
SLA ★★★★★
Ausbildung
Forschungs- und Ausbildungseinrichtungen weltweit haben sowohl die FDM- als auch SLA-Technologie in großem Umfang eingeführt. Es gibt keine einzige Universität mehr, die nicht ihren eigenen Makerspace hätte, und selbst die meisten weiterführenden Schulen beginnen schon früh damit, den 3D-Druck auf verschiedene Weise in ihre Ausbildung zu integrieren. Üblicherweise wird er eingesetzt, um Studenten und Studentinnen an neue Technologien heranzuführen und ihre Selbstständigkeit zu entwickeln bzw. zu fördern.
Viele Forschende arbeiten daran, Materialeigenschaften zu verbessern und damit den 3D-Druck zu einer praktikablen Option für die Zukunft zu machen. In Forschung und Ausbildung setzen die meisten Universitäten und Lehreinrichtungen derzeit auf FDM, da die Kosten vergleichsweise niedrig und die Aufwände für das Equipment gering sind. Die Nachbearbeitung von SLA-Bauteilen kann sich schwieriger gestalten, sodass FDM die für Lernende besser geeignete Option ist. Zudem sieht es derzeit so aus, als würden sich die Materialoptionen für die FDM-Fertigung in Zukunft deutlich schneller erweitern.
FDM ★★★★★
SLA ★★★
Schlussfolgerung
Was wollen Sie mit ihrer Konstruktion erreichen? Welche Probleme wollen Sie heute mit dem 3D-Druck beheben? Und welche morgen? Welche Faktoren sind für Sie am wichtigsten, wenn Sie über den Kapitaleinsatz für neue Maschinen entscheiden? ROI, Produktivität, Innovation?
Um es kurz zusammenzufassen: FDM- und SLA-3D-Druck haben jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile, je nach Anwendungsfall. Wenn Sie größere Prototypen oder industriell eingesetzte Teile drucken wollen, dann sollten Sie aufgrund der Kostenvorteile und der möglichen Baugröße FDM in Betracht ziehen. Um den Anforderungen Ihrer Konstruktion am besten gerecht zu werden, überlegen Sie sich genau, welche Vorteile Ihnen das jeweilige Verfahren bietet. FDM-Teile bieten eine höhere Funktionalität, während SLA eine bessere Auflösung und höhere Genauigkeiten erlaubt.
Es gibt tausende von Beispielen für Unternehmen, die sich aus ebenso vielen Gründen für SLA oder FDM entschieden haben. Daher stellt auch dieser Überblick, so viel er auch an Informationen bieten mag, lediglich einen Ausschnitt des Gesamtbilds dar. Jede Industrie, jede Fertigungsstätte und jede Prototypenabteilung ist anders, und jede hat ihre Eigenheiten. Wir empfehlen Ihnen daher ein Gespräch mit einem unserer Experten um festzustellen, welche Lösung die beste für Sie ist.
