Wie unterscheiden sich SLA, SLS und FDM in Genauigkeit und Bauteilfestigkeit?

Aus fertigungstechnischer und ingenieurtechnischer Sicht setzt die Auswahl der richtigen additiven Fertigungstechnologie ein grundlegendes Verständnis der Zielkonflikte zwischen Genauigkeit, mechanischer Festigkeit und funktionaler Anwendung voraus. SLA (Stereolithografie), SLS (Selective Laser Sintering) und FDM (Fused Deposition Modeling) basieren auf unterschiedlichen Prinzipien und führen dadurch zu deutlichen Unterschieden in den Bauteileigenschaften. Die optimale Wahl ist niemals universell, sondern wird durch die geplante Funktion des Teils bestimmt – sei es ein hochdetailliertes Anschauungsmodell, ein funktionales Bauteil im Motorraum oder eine robuste Vorrichtung bzw. Lehre.

Maßgenauigkeit und Oberflächengüte

SLA (Stereolithografie): SLA bietet typischerweise die höchste Maßgenauigkeit und die beste Oberflächengüte der drei Technologien. Ein Laser härtet flüssiges Photopolymerharz Schicht für Schicht gezielt aus, wodurch sehr feine Details (oft bis hinunter zu 25–100 Mikrometern) und außergewöhnlich glatte Oberflächen erreicht werden. Damit eignet es sich ideal für den SLA-3D-Druck von Teilen mit engen Toleranzen und hohem optischen Anspruch, etwa für detaillierte Prototypen, Urmodelle für das Rapid Molding und komplexe, visuelle Demonstrationsmodelle.

SLS (Selective Laser Sintering): SLS bietet eine gute Maßgenauigkeit, ist jedoch in der Regel nicht ganz so präzise wie SLA. Ein Laser versintert polymeres Pulver, üblicherweise Nylon (PA12), wobei das umliegende, unversinterte Pulver das Bauteil während des Aufbaus natürlich abstützt und so sehr komplexe Geometrien ermöglicht. Der Prozess führt jedoch aufgrund verbliebener Pulverpartikel häufig zu einer leicht körnigen, matten Oberfläche. SLS-3D-gedruckte Teile eignen sich hervorragend für funktionale Prototypen und komplexe Baugruppen, bei denen die stützfreie Konstruktion ein großer Vorteil ist.

FDM (Fused Deposition Modeling): FDM ist im Allgemeinen die am wenigsten genaue der drei Technologien, wenn es um sehr feine Details geht. Ein thermoplastischer Filamentdraht wird durch eine beheizte Düse extrudiert und Schicht für Schicht aufgebaut, wodurch gut sichtbare Schichten entstehen. Die Haftung zwischen den Schichten und der Düsendurchmesser begrenzen die minimale Featuregröße und erzeugen auf gekrümmten Flächen einen ausgeprägten Treppeneffekt. Zwar sind FDM-3D-Drucklösungen sehr zugänglich, die Genauigkeit hängt aber stark von der Druckerkalibrierung, dem Düsendurchmesser und den gewählten Schichthöhen ab.

Mechanische Festigkeit und Materialeigenschaften

SLS (Selective Laser Sintering): SLS liefert die stärksten und langlebigsten Teile für funktionale Anwendungen. Die resultierenden Bauteile sind nahezu voll dicht und besitzen weitgehend isotrope mechanische Eigenschaften, d. h. ihre Festigkeit ist in allen Richtungen annähernd gleich, da sie aus einem homogen versinterten Pulververbund bestehen. Werkstoffe wie Nylon PA12 bieten ausgezeichnete Zähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und eine moderate Chemikalienbeständigkeit. Damit ist 3D-Druck mittels SLS ideal für Endanwendungen, anspruchsvolle Funktionsprototypen und Gehäuse in Bereichen wie Automobilindustrie und industrielle Ausrüstung.

FDM (Fused Deposition Modeling): Die Festigkeit von FDM-Teilen ist stark anisotrop. Sie ist in der Ebene der Druckschichten (X-Y-Ebene) am höchsten, aber deutlich geringer in Z-Richtung zwischen den Schichten, wo Delamination auftreten kann. Zwar stehen technische Thermoplaste wie ABS, PC und Nylon zur Verfügung, doch die schichtweise Bauweise bleibt eine strukturelle Schwäche. FDM eignet sich am besten für grobe Funktionstests, Vorrichtungen und Lehren sowie Teile, bei denen die Last in bevorzugte Richtungen gelegt werden kann.

SLA (Stereolithografie): SLA-Harze sind in der Regel Photopolymere, die im ausgehärteten Zustand im Vergleich zu SLS-Nylon oder FDM-Thermoplasten eher spröde sind. Sie neigen zu Rissbildung unter mechanischer Belastung oder bei längerem Kontakt mit UV-Licht und Feuchtigkeit. Es gibt zwar „zähe“ und „dauerhafte“ Harzformulierungen, die die Eigenschaften von ABS oder PP nachbilden, sie erreichen jedoch meist nicht die langfristige Ermüdungsfestigkeit und Zähigkeit echter Thermoplaste. SLA-Teile sind ideal für Form- und Einbauprüfungen, aber weniger geeignet für hochbelastete Funktionstests.

Ingenieurtechnische Richtlinien zur Technologieauswahl

1. SLA für hochdetaillierte Prototypen wählen: Wenn die Hauptanforderung Maßgenauigkeit, feine Details und eine sehr glatte Oberfläche für Schauobjekte, Präsentationsmodelle oder Prototyping von Form- und Einbauprüfungen ist.

2. SLS für funktionale, komplexe Teile einsetzen: Wenn starke, langlebige und annähernd isotrope Bauteile benötigt werden, die Funktionsprüfungen, Schnappverbindungen und komplexe, geschlossene Geometrien ohne Stützstrukturen im Druckprozess aushalten müssen.

3. FDM für kostengünstige & große Teile nutzen: Für große, niedrigvolumige Bauteile, einfache Funktionsprototypen, bei denen anisotrope Festigkeit akzeptabel ist, sowie für schnellen, kostengünstigen Prototypenbau von Konzeptmodellen.

4. Hybride Fertigung in Betracht ziehen: Für maximale Performance können 3D-gedruckte Prototypen mit anschließender Serienfertigung durch CNC-Bearbeitung kombiniert werden, um überlegene Materialeigenschaften und garantierte Präzision zu erreichen. Alternativ kann 3D-Druck gezielt für kundenspezifische Vorrichtungen und Lehren in der Produktion eingesetzt werden.