Wie formt der Laser-3D-Druck präzise Modelle?

Wenn von 3D-Druck die Rede ist, denken Sie möglicherweise zuerst an das Ablagern von Kunststoff-Filament. Doch es gibt eine Laser-3D-Drucktechnologie – die Stereolithografie (SLA) auf Basis eines Hochgeschwindigkeits-Galvanometerscanners –, die filigrane Modelle erzeugen kann, als ob man mit Licht "skulptieren" würde, und dabei den „Streichholzkopf“-Fehler vermeidet. Wie wird eine Balance zwischen hoher Präzision und Effizienz erreicht?

Im Gegensatz zum gewöhnlichen Fused Deposition Modeling (FDM), bei dem Objekte durch das Übereinanderlegen von geschmolzenen Kunststofffäden aufgebaut werden, verwendet SLA flüssiges lichtempfindliches Harz. Ein Ultraviolett-Laser härtet das Harz an den Stellen aus, wo es getroffen wird, und ein Galvanometer – das wie ein „Lichtstift“ fungiert – steuert den Laser, um die Kontur jeder Schicht nachzuzeichnen, die dann übereinander gestapelt wird, um das Modell zu bilden. Das Hochgeschwindigkeitsgalvanometer und das intelligente Steuersystem sind der Schlüssel dafür, dass der Laser „schnell und präzise zeichnet“.

Das Galvanometer ist der „Präzisionsnavigator“ beim Laser-3D-Druck. Bestehend aus Spiegeln und Scannermotoren steuert es den Laser, sodass dieser schnell in X- und Y-Richtung scannen kann – schneller und stabiler als frühere bewegliche Plattformen mit XY-Achsen. Allerdings kann das Galvanometer bei hohen Geschwindigkeiten Verzögerungen aufweisen, beispielsweise das Abrunden von Ecken, und Geschwindigkeitsänderungen können eine ungleichmäßige Aushärtung des Harzes verursachen, was zum sogenannten „Streichholzkopf“-Effekt führt.

Die Lösung besteht darin, dem Galvanometer ein intelligentes Steuerungssystem hinzuzufügen:

• Verwenden Sie einen Geschwindigkeitsplanungsalgorithmus, um die maximale Geschwindigkeit für verschiedene Kurven zu berechnen (etwa 750 mm/s bei 180°-Kurven, bis zu 2500 mm/s bei 20°-Kurven), wodurch eine präzise Kurvenpassage ermöglicht wird.
• Die Laserleistung wird in Echtzeit entsprechend der Geschwindigkeit angepasst, um eine gleichmäßige Harzaushärtungsenergie sicherzustellen und eine unregelmäßige Aushärtung zu vermeiden.
• Das effiziente Lesen von 3D-Modell-Dateien ist ebenfalls entscheidend. Dateien wie Gcode und SLC können mehrere hundert Megabyte groß sein, was das direkte Lesen langsam macht und das Vorschauen bestimmter Schichten erschwert. Forscher verwenden ein segmentiertes Mehrkanal-Caching – also die Aufteilung der Datei, paralleles Parsen und binäre Suche, um Ziel-Schichten schnell zu lokalisieren – was die Effizienz erheblich verbessert.
• Nach dem Parsen der Konturen wird der Ray-Casting-Algorithmus verwendet, um innere und äußere Konturen zu unterscheiden (ungerade Schnittpunkte bedeuten innere Kontur, gerade Schnittpunkte äußere Kontur). Die Reihenfolge wird gemäß Regeln angepasst und ein „Kontur-Baum“ erstellt, um zu verhindern, dass der Laser „falsche Grenzen zeichnet.“

Heute kann die SLA-Technologie hochdetaillierte Modelle drucken, von kleinen zahnmedizinischen Modellen bis hin zu großen industriellen Bauteilen, und wird in der Schmuckherstellung, beim industriellen Prototyping sowie bei medizinischen Rekonstruktionen eingesetzt. Es handelt sich nicht nur um das "Übereinanderlegen von Materialien", sondern um das "Gestalten von Details mit Licht und Algorithmen" – eine Technologie, die in Zukunft noch präzisere und personalisierte Produkte verspricht.