Fdm versus licht
In de afgelopen jaren zijn 3d-printers enorm in prijs gedaald. Waar het nog niet zo heel lang geleden al een koopje was om een 3d-printer voor minder dan duizend euro op de kop te tikken, is het tegenwoordig al mogelijk om in de buurt van de honderd euro iets te kopen. Het gebruik van een dun draadje plastic, dat smelten en weer laten stollen is inmiddels een trucje dat menige fabrikant aardig onder de knie heeft.
Als je echter met pla print, blijf je een beetje een goedkoop ogend stuk plastic printen, met ribbeltjes en lijntjes waar elk laagje is neergelegd. Natuurlijk is het mogelijk met de meeste printers met abs te printen en als je printje zonder veel vervorming is gelukt, kun je abs vervolgens met aceton glad maken, maar het blijft een beetje bewerkelijk.
Nu is fdm-printen, zoals vrijwel al die 3d-printers hanteren, niet de enige manier om een 3d-object te maken. Je kunt namelijk ook 3d-printen met lasersintering, waarbij kleine deeltjes polymeer of zelfs metaal aan elkaar worden gesmolten. Een stapje verder is het daadwerkelijk smelten van metalen, waarbij van nog krachtiger lasers gebruik wordt gemaakt. Lasersintering of -smelten is vooralsnog erg duur en voorbehouden aan zakelijke en commerciële toepassingen, maar dat was 3d-printen met plastic vroeger ook.
Een andere techniek om 3d-printjes te maken, die tot voor kort erg prijzig was, maar sterk in prijs is gedaald, is het gebruik van stereolithografie. Daarbij wordt een hars als uitgangsmateriaal gebruikt. Die hars is lichtgevoelig en hardt uit onder invloed van uv-licht. Dat kan met sla- of dlp-techniek, die op elkaar lijken, maar met respectievelijk een bewegende en een stilstaande lichtbron werken. Die techniek was erg duur, maar de Chinese fabrikant Wanhao heeft sinds ongeveer een jaar de Duplicator 7 op de markt. De printer kost inmiddels nog geen vijfhonderd euro, maar kan extreem fijne details printen. We haalden de inmiddels vijfde iteratie van het apparaat in huis om te zien hoe dit fdm-alternatief werkt. De D7 heeft een bouwvolume van 70 bij 120 bij 200 millimeter en wordt geleverd met een klein flesje hars.
Hoe werkt een sla- of dlp-printer?
Een sla-printer, of stereolithografische printer, maakt gebruik van een uv-laser die de vorm van het te printen object tekent in een vat vloeibare hars. Waar het uv-licht de hars raakt, polymeriseert die hars zeer lokaal en zo wordt het object laagje voor laagje gemaakt. Heel dure printers printen zo objecten rechtopstaand, maar de goedkopere dlp-desktopprinters werken met het uv-licht van onder.
Let op: de hars is in veel gevallen, ook waar het de door Wanhao geleverde hars betreft, een vrij giftig goedje. Inademen van de dampen is niet aan te raden: zorg dus ten minste voor goede ventilatie als je aan de slag gaat. Draag ook handschoenen om contact met de huid te voorkomen.
Het bouwobject blijft dan aan de bouwplaat hangen, waarbij de plaat steeds een laagje omhoog wordt bewogen. Het te printen object blijft dus in het harsbad, dat veel kleiner kan zijn dan het te printen object; alleen het laagje waaraan gebouwd wordt, hoeft immers 'onder water' te staan. Nu is het aansturen van zo'n uv-laserstraal uiteraard een extreem precies werkje en een van de oorzaken waardoor sla-printers zo duur zijn.
Er is echter een shortcut bedacht om vrij goedkoop een stereolithografische printer te bouwen, waarbij de resolutie toch zeer hoog is en je zeer fijne printjes kunt maken. Zo werkt onze Wanhao Duplicator 7 en tal van zelfbouwprojecten volgen eveneens dit principe. Daarbij wordt niet de uv-laser bewogen, maar wordt simpelweg het uv-licht op de juiste plaats geschenen. Dat wordt geregeld met een lcd, waarop het ontwerp per laag wordt getoond. Op de plaatsen waar de print door het uv-licht moet worden belicht, en dus uitgehard, wordt de lcd transparant gemaakt, terwijl de rest van het scherm zwart blijft.
Door elke laag op die manier op te bouwen, wordt het printje laagje voor laagje belicht en hardt de hars alleen daar uit waar het scherm het uv-licht doorlaat. Het 3d-object wordt hierbij langzaam, laagje voor laagje, uit het harsbad getild en dus ondersteboven geprint.
De D7 in de praktijk
De Duplicator 7 is mechanisch vrij simpel, want er hoeft maar één as bewogen te worden, namelijk de z‑as. De D7 begint zijn printjes helemaal onderin, met de bouwplaat ondergedompeld in de hars. Die hars wordt in een badje gegoten dat met twee grote kartelschroeven op zijn plaats wordt gehouden. De onderkant van het badje bestaat uit een vervangbaar plastic membraan dat licht moet doorlaten.
Onder het membraan zit de lcd, die een resolutie van 2560 bij 1440 pixels heeft. Uiteraard heeft de lcd geen backplane, dus geen diffuser, lightguide of andere elementen. Het is puur een lcd'tje waarop de patronen verschijnen die moeten worden belicht, een beetje zoals een masker in fotolithografie voor wafers. Het grote verschil is dat het formaat van de lcd de grootte van de printjes dicteert; er zijn geen lenzen om het beeld te schalen.
Onder de lcd zit de uv-bron, in dit geval simpelweg een verzameling uv-ledjes waarvan het licht door een spiegeltrechter naar boven wordt gericht. Een Arduino-bordje stuurt de printer aan, waarbij de Arduino verantwoordelijk is voor de beweging van de z-as en voor het aan- en uitzetten van de uv-bron. Het scherm wordt niet aangestuurd door de Arduino, die de uitgangen of grafische vermogens daarvoor mist. Voor de aansturing van de lcd is een computer nodig die de lcd als tweede scherm aanstuurt. Zo zou je je laptop of een desktop-pc permanent aan de printer moeten koppelen, waarbij de computer tijdens het printen actief moet blijven om het tweede scherm continu aan te sturen. Echt heel handig is dat niet, niet in de laatste plaats omdat computers, zeker laptops, de neiging hebben om na lange inactiviteit in energiebesparende modus te gaan en zo je print te vernachelen.
We hebben daarom een alternatieve methode ingezet om het scherm aan te sturen: een Raspberry Pi in combinatie met het aanstuurprogramma nanoDLP. Dat maakt het gebruik van de printer een stuk eenvoudiger, want met een aangepast Cura-profiel of de software die Wanhao aanraadt en die inmiddels payware is geworden, laat de printer zich niet prettig bedienen. Het gebruik van nanoDLP met een Pi is in de praktijk erg prettig, maar toch hadden we wat aanloopproblemen. Het scherm liet zich niet correct aansturen en zelfs het tonen van de testpatronen ging verkeerd. Uiteindelijk bleek de hdmi-kabel die door Wanhao werd meegeleverd, niet in staat het 1440p-scherm aan te sturen. Als we de kabel voor een 1080p-scherm gebruikten, was er geen enkel probleem, maar 1440p was een brug te ver.
Naast de hdmi-kabel om het scherm van de printer aan te sturen is een usb-kabel nodig om de Arduino aan te sturen en natuurlijk een voedingskabel.
En nu printen
Via de webinterface van nanoDLP kun je stl-objecten invoeren en die laten slicen. Desgewenst kun je nog supports of rafts toevoegen en dankzij de OpenGL-engine kun je zelfs eenvoudige bewerkingen op je 3d-objecten uitvoeren.
Om te printen moet je een harsprofiel uitzoeken of een nieuw profiel maken voor de hars die je hebt. Daarbij kun je allerlei variabelen instellen, zoals de uithardtijd van de eerste lagen, die van de gewone lagen en die van de laatste lagen. Voor veelgebruikte harsen zijn al profielen in nanoDLP aanwezig en een beetje finetunen is niet ingewikkeld. Wel moet je ervoor zorgen dat de eerste lagen lang genoeg uitharden om een solide hechting met de bouwplaat te vormen. Ook de volgende lagen moeten lang genoeg belicht worden om te harden. Voor de eerste lagen zijn die tijden in de orde van grootte van zo'n negentig seconden en voor de reguliere lagen rond de dertig seconden.
Dat betekent dat een printje vrij lang duurt en dat die duur vrijwel niet afhankelijk is van de vorm van de print, maar puur van de hoogte. Elke laag moet immers belicht worden en dat duurt een vaste periode per laag. Tussentijds moet de bouwplaat steeds een stukje omhoog, waardoor je in de praktijk bij een laaghoogte van vijftig micrometer op een printtijd van een uur of twee per centimeter hoogte uitkomt. Met een printhoogte tot tweehonderd millimeter kun je dus zomaar meer dan een dag over een printje doen.
Een groot verschil met fdm-printen is het proces na het printen. Als je met pla print, is je printje in principe klaar als je printer klaar is. Soms moet je nog wat supports wegknippen of een raft lospellen, maar veel nabewerking is niet nodig. Je kunt wat schuren en als je abs print, kun je de acetonmethode toepassen om een glad oppervlak te realiseren.
Bij sla-printen is de nabewerking echter wat bewerkelijker. Je object is weliswaar dankzij de uv-belichting uitgehard, maar er plakt nog een boel hars aan je printje. Het is dus zaak om het druipende object van je bouwplaat af te krijgen, wat soms al lastig genoeg is door de stevige hechting, en daarna schoon te maken. Dat schoonmaken doe je in een paar stappen, waarbij je begint met een alcoholbad om het overtollige hars weg te spoelen. Die alcohol hoeft geen pure ethanol te zijn; ipa of isopropylalcohol is goed genoeg en een stuk goedkoper.
Vervolgens kun je met water naspoelen en eventuele supports, rafts en restanten deels gestolde hars verwijderen. Het is raadzaam een doosje latex- of nitrilhandschoenen te kopen, zodat je het plakkerige spul niet aan je vingers krijgt. Als je uitgespoeld bent, kun je je printje nog even nabehandelen. Het is in de regel namelijk nog een beetje plakkerig. Je kunt je printje in de zon zetten om het met natuurlijk uv-licht verder te laten uitharden, maar je kunt ook kunstmatig uv-licht gebruiken. Zo kun je een aparte uv-bron kopen, maar je kunt ook je printer gebruiken om je printje uit te harden. Een minuut of vijf à tien in een waterbad onder uv-licht maakt je printjes een stuk minder plakkerig. Met nanoDLP kun je eenvoudig je uv-licht aanzetten.
/i/2001932895.jpeg?f=imagenormal)
Het enige wat nog rest, is je printer schoonmaken. Als je namelijk niet direct weer wilt printen, zul je ook je bouwplaat schoon moeten maken, die immers in de hars was gedompeld, en natuurlijk moet ook het harsbad worden schoongemaakt. De overtollige, niet-gebruikte hars kun je in principe gewoon hergebruiken als je het even zeeft en in een lichtdichte pot bewaart. Al met al is sla-printen een stuk bewerkelijker en rommeliger dan fdm-printen, maar het levert wel mooie resultaten op. Een printresolutie van 0,030 millimeter in de z-as en een resolutie van ongeveer 47 micrometer voor de x- en y-as zijn mogelijk met de D7.
Fijne print of rommel
We hebben enkele printjes met de D7 gemaakt, waarbij we Wanhaos eigen hars hebben gebruikt. De uithardtijd daarvan is wat onduidelijk, maar met het aanpassen van een vijftigmicrometerprofiel kwamen we een heel eind. Met een uithardtijd van dertig seconden voor reguliere lagen en negentig seconden voor de eerste twee lagen was het resultaat goed, hoewel we ook langere en iets kortere tijden hebben geprobeerd.
Na de aanloopproblemen met een brak hdmi-kabeltje en het zoeken naar alternatieve software in de vorm van de RPi met nanoDLP, blijkt het printen met de D7 vrij eenvoudig en mooie resultaten op te leveren. Het blijft wel opletten of alles goed werkt; een enkele keer begon de printer volgens de software weliswaar te printen, maar deed hij feitelijk bitter weinig.
Al met al is best lastig om goede prints te maken met de D7. Sommige printjes laten zien dat je fantastisch mooie, fijne resultaten kunt krijgen. Zo is de Eiffeltoren mooi en is het testprintje met kleine kammetjes, overhangen en dunne paaltjes extreem mooi, maar andere tests liepen op fiasco's uit. Vooral als de zwaartekracht een rol speelt, wordt het lastig printen. Zo bleken armen of andere uitsteeksels in elkaar te zakken. Met de nanoDLP-software kun je weliswaar supports maken, maar erg intuïtief werkt dat niet. Een ander probleem is dat vooral kleine gaatjes gemakkelijk 'vollopen' met hars, waardoor holtes al snel dicht zitten en je minder definitie krijgt.
De resultaten zijn soms erg mooi te krijgen, maar het bouwvolume is behoorlijk beperkt met een bouwplaat van 70 bij 120mm en een hoogte van 200mm. Daar komt bij dat de nabewerking behoorlijk arbeidsintensief is en ook het schoonmaken na het printen is best een hoop gedoe. Al met al kun je bijzonder mooie, fijne printjes maken met een printer die goedkoper is dan menige filamentprinter. Als je een specifiek gebruiksdoel voor harsprints hebt, is de D7 dan ook zeker een aanrader om in te stappen. Zaak is wel dat je printmodellen geschikt zijn voor harsprinters en dat je genoeg tijd reserveert voor het printen, voor het oplossen van problemen en voor de nabewerking.
De Wanhao Duplicator 7 is aan ons uitgeleend door 3DshopNL.
Update: naar aanleiding van diverse reacties dat de hars of resin behoorlijk schadelijk is voor de gezondheid hebben we een extra alinea toegevoegd. Het toxiciteitsrapport van de Wanhao-hars liegt er niet om en we raden dan ook iedereen aan voor goede ventilatie en bescherming te zorgen als je met harsprinters aan de slag gaat.