Ophir Spiricon NanoScan von MKS: Photopolymerisation - Der perfekte Strahl

Das Messgerät ist mit einer Klammer befestigt, um den Laserstrahl zu messen. (Bild: Axtra3D)

Die Innovation basiert auf einem Photopolymerisationsprozess mit zwei Lichtquellen, einem digitalen Projektor kombiniert mit einem Festkörperlaser. Entscheidend dafür ist die perfekte Synchronisation von Laserstrahl und Licht, die mit MKS-Technologie erzielt wird. Axtra3D vertraut im gesamten Produktzyklus auf Ophir® Messtechnik.

Das Ophir NanoScan Stahlprofilmessgerät nimmt bei der Gewährleistung der Reproduzierbarkeit im AM-Prozess eine Schlüsselrolle ein. (Bild: Axtra3D)

Die Grenzen der Photopolymerisation überwinden

Die Additive Fertigung erlaubt es, Teile jeglicher Art in kürzester Zeit zu produzieren. Seit die ersten kommerziellen Stereolithografiesysteme (Stereolithography Apparatus – SLA) in den 80er-Jahren auf den Markt kamen, hat sich die Technologie kontinuierlich weiterentwickelt – mit enormem Erfolg: Mittlerweile sind 3D-Drucker, die schichtweise Harze drucken, zu günstigen Preisen für die Heimanwendung verfügbar. Allerdings gibt es selbst bei hochwertigen industriellen SLA-Lösungen noch Einschränkungen in Hinblick auf Fertigungsgeschwindigkeit und Oberflächengüte. Um die Geschwindigkeitsbegrenzungen beim SLA-Druck zu überwinden, wurde das Digital Light Processing (DLP) entwickelt. Diese Technologie erlaubt es, eine vollständige Schicht auf einmal zu drucken. Ein Projektor projiziert Bilder jeder Schicht auf das Harz und durch UV-Licht wird es sofort gehärtet. Doch auch wenn die DLP-Technologie signifikante Fortschritte in Hinblick auf die Druckgeschwindigkeit bringt, nach wie vor erfordert jedes gefertigte Teil aufwendige Nacharbeiten. Die gedruckten Teile müssen gereinigt werden und die sichtbare Oberflächenstruktur erfordert eine zusätzliche Behandlung.

Hier kommt Axtra3D ins Rennen: Das Unternehmen mit Hauptsitz in den USA und Forschung und Produktion in Italien wurde – ausgestattet mit einem aufregenden Patentportfolio – mit dem Ziel gegründet, grundlegende Fertigungslösungen für den 3D-Druck zu entwickeln. Paul Spoliansky, Gründungsmitglied von Axtra3D und Chief Revenue Officer, erklärt: „Unsere Technologie macht Schluss mit Kompromissen, die wir bei anderen additiven Technologien sehen. Wir ermöglichen es den Kunden, exakt nach ihren CAD-Dateien zu drucken, ohne dass zusätzliche Nacharbeiten erforderlich sind.“

Das PC-basierte System bietet vielfältige grafische Darstellungsoptionen z. B. 2D- und 3D-Grafiken. (Bild: Axtra3D – Software MKS|Ophir)

Die HPS Light Engine kombiniert verschiedene Technologien

Die kürzlich im Lumia X1 3D-Drucker vorgestellte HPS-Technologie beinhaltet sowohl einen digitalen Lichtprozessor, der die gesamte Schicht auf einmal druckt, als auch einen Dioden-Festkörperlaser, der parallel dazu die Struktur jeder Schicht optimiert. Wie bei vielen innovativen Technologien klingt das Ergebnis sehr einfach und nachvollziehbar, der Weg dahin erwies sich jedoch als große Herausforderung. Den digitalen Lichtprozessor mit seinen komplexen Optiken und dem Laser zu kombinieren, erfordert perfekte Abstimmung. Beide Systeme müssen Licht in exakt der gleichen Wellenlänge abstrahlen: Um die hohen Produktionsstandards einzuhalten, darf die Wellenlängenabweichung der beiden Strahlquellen nicht mehr als 10 nm betragen. Federico Iacovella, Chief Product und Innovation Officer bei Axtra3D, erläutert: „Wir wussten, dass es entscheidend sein würde, die Laserparameter und die Strahlform zu kennen. Aus diesem Grund haben wir uns für bewährte Ophir Messtechnik von MKS entschieden, um vertrauenswürdige Messungen zu erhalten.“

Axtra 3D vertraut auf das schlitzbasierte Ophir NanoScan 2s-Messgerät und den Ophir PD300-R-3W-Sensor. (Bild: MKS|Ophir)

Rundheit des Strahls ist entscheidend

Die Reproduzierbarkeit des additiven Fertigungsprozesses langfristig zu gewährleisten, zählt zu den Kernzielen bei der Entwicklung neuer Technologien. Gerade bei der industriellen Nutzung von 3D-Druckern erwartet der Anwender, dass die gefertigten Teile bei jedem Druckjob identisch sind. Um die hohe Qualität der HPS Light Engine zu sichern, ist es entscheidend, alle relevanten Strahlparameter inklusive der Strahlform zu prüfen; und dies nicht nur in der Entwicklungsphase und der Produktion, sondern auch bei der Wartung der Drucker. Mit diesem Gedanken suchte Federico Iacovella nach einer messtechnischen Lösung, die in jeder Phase des Produktlebenszyklus einfach handhabbar sein und gleichzeitig verlässliche Ergebnisse liefern sollte. „Zunächst testeten wir ein kamerabasiertes System, merkten aber schnell, dass sich dieses für die Anwendung im Feld nicht eignet. Aus diesem Grund wechselten wir auf ein schlitzbasiertes Messinstrument – mit großem Erfolg.“

Das Ophir NanoScan Strahlprofilmessgerät mit einer 9 mm Apertur bietet mehr Flexibilität bei unterschiedlichen Strahlgrößen und lässt sich einfacher handhaben. Er ergänzt: „Selbst, wenn wir am Ende eine sehr kleine Fokusgröße von nur 45 µm messen müssen, starten wir mit einem Strahldurchmesser von 7 mm. Mit dem Ophir NanoScan erhalten wir volle Flexibilität über einen breiten Messbereich hinweg.“ Das PC-basierte Messgerät analysiert die räumlichen Strahlungsprofile des Lasers nach dem ISO 11146-Standard. Die Genauigkeit und Stabilität der Strahlprofilmessung ermöglicht es, Strahlgröße und Strahlausrichtung mit einer 3-Sigma-Präzision von wenigen hundert Nanometern zu messen. Die HPS Light Engine benötigt einen Laserstrahl mit einer Rundheit von 90 %; mit der NanoScan-Messlösung gelingt es Axtra3D, den Durchmesser und die Form des Strahls jederzeit zu messen – sowohl im Reinraum als auch in der Produktionsumgebung des Kunden.

Mit dem PD300-3W-Sensor wird die Leistung der einzelnen Laserdioden gemessen, um den Ansprechstrom mit der Leistung jeder Diode zu linearisieren.

Leistung und Energie steuern

Ein weiteres zentrales Thema bei der HPS-Technologie ist es, immer eine genau spezifizierte Energie des Lasers bereitzustellen, um das Harz auszuhärten. Da Axtra3D jeden im Lumia X1-System verbauten Diodenlaser inklusive dem Diodentreiber in Einzelfertigung produziert, muss auch die Leistung jedes Diodenlasers individuell geprüft werden. Federico Iacovella führt aus: „Wir nutzen den Ophir PD300-3W-Sensor, um die Leistung der einzelnen Dioden zu messen und so den Ansprechstrom mit der Leistung jeder Diode zu linearisieren. Auf diese Weise stellen wir sicher, dass jeder Diodenlaser die richtige Energie für den jeweiligen 3D-Druckprozess liefert. Was die Wiederholbarkeit betrifft, so sind diese Messungen sowohl für die Herstellung als auch für die Wartung der Lumia X1-Systeme entscheidend.“ Die Messungen des PD300-3W-Sensors werden mit einem kompakten Ophir StarBright-Anzeigegerät dargestellt, das dem Anwender umfangreiche Loggingfunktionen für Leistung und Energie, mathematische Funktionen sowie eine Vielzahl an grafischen Darstellungsmöglichkeiten bietet.

Neuer Qualitätslevel bei der Photopolymerisation

Axtra3D’s HPS Technology wird die weitere Entwicklung der Photopolymerisation nachhaltig prägen. Der Druckprozess ist im Vergleich zu einem SLA-Drucker schneller und erreicht die hohe Geschwindigkeit eines DLP-Systems. Zudem macht die Nutzung der zwei Lichtquellen eine Nachbearbeitung überflüssig. Federico Iacovella sieht hier den direkten Zusammenhang mit der Messtechnik von MKS: „Die Messgeräte von Ophir haben wesentlich zu unserem Innovationsprozess beigetragen, da die Messung der Laserparameter die Grundlage für unsere qualitativ hochwertige 3D-Druck-Technologie legt.“