Development of a polygon mirror based 3D-SLA printer

Abstract

Additive Fertigungsverfahren haben in den letzten Jahren enorm an Popularität gewonnen. Im Gegensatz zu klassischen Fertigungsverfahren bieten diese, eine Reihe von Vorteilen, wie fast beliebige Designfreiheit, einfache Herstellung aus CAD-Modellen sowie rentable Fertigung auch bei niedrigen Stückzahlen. Zunehmende Materialvielfalt, sowie fallende Preise beschleunigen diese Entwicklungen. Bei mittleren und großen Stückzahlen sind additive Fertigungsverfahren nach wie vor nicht wirtschaftlich, da die Druckgeschwindigkeit zu gering und die Stückkosten zu hoch sind. Für additive Massenproduktion ist die Beschleunigung der Verfahren unausweichlich. Bei industriellen Druckern hat sich das SLA-Verfahren (Stereolithographie) für hohe Genauigkeit durchgesetzt. Diese verwenden meist Galvo basierte Scanverfahren, deren Geschwindigkeit im Bereich von 2m/s bis 30m/s liegt und durch die Scannerdynamik begrenzt ist. Folglich setzt sich diese Arbeit mit dem Entwurf eines SLA Druckers mit wesentlich höherer Scangeschwindigkeit auseinander. Zentraler Teil ist eine polygonspiegelbasierte Scaneinheit, die deutlich höhere Scangeschwindigkeiten ermöglicht. Um den mechanischen Aufwand in Grenzen zu halten wird die Scaneinheit in den Rahmen eines kommerziell erhältlichen 3D-Druckers integriert. Eine Linearachse bewegt die gesamte Scaneinheit, sodass zweidimensional gescannt werden kann. Das lichtempfindliche Harz wird von einem Laser ausgehärtet, dessen Steuerung für die Form und Genauigkeit entscheidend ist. Das System basiert auf einer Feedforward-Steuerung, und benötigt eine einmalige Kalibrierung. Bei dieser werden mechanische und optische Toleranzen ausgeglichen, sodass trotzdem hohe Systemgenauigkeit erreicht werden kann. Anschließend wird die Genauigkeit und Systemperformance mit zwei verschiedenen Messverfahren analysiert. Da deren Ergebnisse konsistent sind können systematische und Messfehler ausgeschlossen werden. Die Scangenauigkeit wird in allen Dimensionen ermittelt, einige Fehlerquellen werden kompensiert. Zusätzlich werden Laserstrahleigenschaften, sowie deren Auswirkungen auf Druckergebnisse analysiert. Abschließend werden Scan- und Druckergebnisse zur Beurteilung der erreichbaren Genauigkeit und Auflösung gezeigt. Einige Modelle werden mit den Ergebnissen eines kommerziellen SLA Druckers verglichen.

Additive manufacturing constantly gains in importance in the manufacturing industry. Compared to classical manufacturing technologies, it offers many advantages such as almost unlimited design freedom, direct manufacturing of parts from CAD models and affordable manufacturing even at low quantities. This development is further accelerated by an increasing number of printable materials, dropping unit and running costs.However, medium and large part counts are not economically achievable, since the printing speed is limited and part costs are too high. By speeding up the manufacturing processes this limitation can be circumvented, enabling additive mass production. State of the art industrial printers which achieve high resolution and accuracy are based on the stereolithography (SLA) principle in combination with Galvanometer beam steering. Scanning speeds between 2m/s and 30m/s are typical and limited by the scanner dynamics. Therefore, this work deals with the development of a high speed SLA printer with an accuracy, comparable to current printers. Main part of the printer is a polygon mirror (PM) based scanning unit, that enables significantly higher scanning speeds. The unit bases on a six-facet PM, and is integrated into the frame of a commercial printer to use its mechanics. The second scanning dimension is covered by a linear stage that moves the entire scanning unit. A laser exposes the photosensitive resin, its control is decisive for the resulting shape and accuracy. The data pattern is calculated based on a feedforward control concept that requires a one-time calibration. This calibration compensates for all mechanical and optical tolerances and achieves a high level of accuracy.The system performance and scanning accuracy is analyzed using two different measurement principles. The results are similar, such that measurement and systematic errors can be excluded. The scanning accuracy is determined in all dimensions, some of the error sources are compensated. Furthermore, laser beam properties and effects on printing are evaluated. Finally, the resulting accuracy is examined using printed test objects. Models of famous landmarks give the opportunity to assess the quality of typical objects. Some models are also compared with the results of a commercial printer.