Was ist HALS 3D-Druck? Funktionsprinzip & Anwendungen

3D-Druck hat sich in vielen Branchen zu einer wichtigen Fertigungstechnologie entwickelt. Er ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien mit hoher Präzision und minimalem Abfall. Die gängigsten Verfahren der Vat-Photopolymerisation sind Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP). Beide beruhen jedoch auf einer schichtweisen Fertigung. Das verringert die Druckgeschwindigkeit und erzeugt Trennkräfte zwischen der ausgehärteten Schicht und der Harzwanne. Diese Einschränkungen verhindern ihren Einsatz in der Massenproduktion.

Um diese Grenzen zu überwinden, wurde Hindered Asynchronous Light Synthesis (HALS) entwickelt, eine neue proprietäre Technologie der Vat-Photopolymerisation. Dieser Artikel erläutert das Funktionsprinzip des HALS 3D-Drucks, seine Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren und sein Potenzial für die industrielle Produktion.

Was ist HALS 3D-Druck?

HALS ist ein harzbasiertes 3D-Druckverfahren, das flüssiges Photopolymer mit Licht aushärtet – und zwar ohne die Stop-and-Peel-Routine älterer Systeme. Es baut Teile über zwei koordinierte Mechanismen auf, die sich beide in seinem Namen wiederfinden.

Der Hindered-Mechanismus

Am Boden der Harzwanne befindet sich ein transparentes Fenster. Direkt darüber hält HALS eine dünne Schicht aufrecht, die reich an Sauerstoff oder einem ähnlichen Hemmstoff ist. Licht dringt zwar in diese Zone ein, doch die chemische Reaktion, die das Harz aushärtet, wird hier gezielt unterdrückt. In diesem schmalen Bereich bleibt das Harz selbst unter UV-Belichtung flüssig.

Diese „Totzone“ erfüllt zwei wichtige Aufgaben: Das gedruckte Teil berührt niemals das Fenster. Frisches Harz fließt kontinuierlich in den Bereich nach, in dem die Aushärtung tatsächlich stattfindet, direkt oberhalb der Totzone.

Der Asynchronous-Mechanismus

Da nichts am Fenster haftet, muss die Bauplattform nicht anhalten und abheben. Stattdessen steigt sie in einer gleichmäßigen Bewegung nach oben. Das KI-System passt Intensität und Timing des Lichts in Echtzeit an und reagiert dabei auf die Geschwindigkeit der Plattform, das Verhalten des Harzes und die Form, die gerade entsteht. Die Belichtung wird nicht Bild für Bild festgelegt, sondern verändert sich fortlaufend entsprechend den Anforderungen des Bauteils.

Prozessablauf von HALS

So läuft der HALS 3D-Druck ab:

1. Modellentwurf

Der Prozess beginnt mit einem dreidimensionalen (3D) Modell, das mit Computer-Aided-Design-Software (CAD) oder einem 3D-Scanner erstellt wird. Das digitale Modell beschreibt die Geometrie des fertigen Bauteils.

2. Dateivorbereitung

Das Modell wird in die Slicing-Software importiert und in maschinenlesbare Anweisungen umgewandelt. Dabei werden die Druckparameter festgelegt, darunter Belichtungseinstellungen und Bauausrichtung.

3. Harzvorbereitung

Das Harz wird in die Harzwanne gefüllt, und die Bauplattform wird auf die anfängliche Druckhöhe positioniert, um mit der Fertigung zu beginnen.

4. Kontinuierlicher Druck

Ultraviolettes (UV) Licht härtet das flüssige Harz selektiv gemäß dem digitalen Modell aus. Die Bauplattform bewegt sich kontinuierlich, während frisches Harz den Aushärtungsbereich nachfüllt und so eine unterbrechungsfreie Bauteilbildung ermöglicht.

5. Nachbearbeitung

Nach Abschluss des Drucks wird das Teil von der Bauplattform entnommen, gewaschen, um nicht ausgehärtetes Harz zu entfernen, und anschließend mit UV-Licht nachgehärtet, um seine endgültigen mechanischen Eigenschaften und seine Maßhaltigkeit zu erreichen.

Vergleich: HALS vs. SLA vs. DLP vs. CLIP

So schneidet HALS im Vergleich zu SLA, DLP und CLIP ab:

Vorteile des HALS 3D-Drucks

Geschwindigkeit im großen Maßstab

Da Teile kontinuierlich gezogen und nicht Schicht für Schicht aufgebaut werden, kann HALS Bauteile in Minuten statt Stunden herstellen und eignet sich damit für die Serienfertigung statt nur für einzelne Prototypen.

Stärkere, gleichmäßigere Teile

Ohne Abziehschritt erfährt der Druck keine wiederholte mechanische Belastung. Das ergibt isotrope Festigkeit, sodass Teile in jede Richtung gleichmäßig belastbar sind, statt entlang schwacher Schichtlinien zu brechen.

Glattere Oberflächen

HALS-Teile weisen keine sichtbaren Schichtlinien auf, sodass die Oberfläche Spritzgussprodukten deutlich näher kommt und oft weniger Nachbearbeitung erfordert.

Designfreiheit

Feine Gitterstrukturen und andere komplexe Geometrien lassen sich als ein einziges Stück drucken – etwas, das mit herkömmlichen schichtbasierten Verfahren nur schwer zuverlässig gelingt.

Anwendungen von HALS

Schuhe

Der am weitesten entwickelte Anwendungsfall für HALS ist nach wie vor der Schuhbereich, denn ein Schuh besteht aus mehreren Komponenten, die zuvor separat gefertigt werden mussten.

• Zwischen- und Außensohlen: Statt herkömmlichem Schaumstoff kommen feine Gitterstrukturen mit zonaler Dämpfung zum Einsatz, bei denen sich die Sohle an Ferse, Fußgewölbe und Vorfuß unterschiedlich biegt.
• Obermaterial: Bei manchen Designs werden Obermaterial und Sohle als ein durchgehendes Stück gedruckt. Keine zusammengenähten Elemente, keine geklebten Nähte.
• Belüftete Strukturen: Offene Gittermuster werden als Luftkanäle direkt in die Sohle integriert.
• Alltagsschuhe: Dieselbe Logik gilt für Pantoletten, Sandalen und Freizeitschuhe, bei denen schnelltrocknende, wasserabweisende Materialien wichtiger sind als sportliche Performance.

Robotik und Industriekomponenten

HALS wird eingesetzt, um weiche Robotergreifer, flexible Gelenke und Hydraulikkomponenten mit internen Strömungskanälen zu fertigen, die Druck ohne Leckagen aushalten und die Standards erfüllen müssen, die man üblicherweise mit Spritzgussteilen verbindet.

Medizin- und Dentalprodukte

Die Materialbibliothek bietet eine Vielzahl von Materialien, von flexibel bis starr, und unterstützt maßgefertigte Produkte wie Orthesen, Dentalmodelle und Prothesenteile, bei denen jedes Teil individuell an den jeweiligen Patienten angepasst wird.

Automobil und Konsumgüter

Schlagfeste Harze ermöglichen es HALS, Fahrzeuginnenraumteile und Drohnengehäuse zu fertigen, während Hochtemperatur-Formulierungen Formeinsätze und andere Komponenten abdecken, die im Einsatz Hitze ausgesetzt sind.

Nexbie: HALS auf dem nächsten Level

Eines der detailliertesten Beispiele für die Skalierung von HALS ist Nexbie, eine Marke für 3D-gedruckte Schuhe, die auf dem technischen Fundament von Creality aufbaut. Die Schuhe werden mit HALS 3D-Druck gefertigt, einer DLP-basierten Fertigungstechnologie, kombiniert mit einer Polyurethan-Harnstoff-Mischung statt dem üblichen TPU.

• Festigkeitsvorteile: Unabhängige Tests haben für Nexbie eine Weiterreißfestigkeit von etwa 20 N/mm ergeben, verglichen mit 12–18 N/mm bei typischen Schuhmaterialien. Ein Polyurethan-Harnstoff hält 100.000 Biegungen stand und behält dabei über 90 % seiner Eigenschaften. Ein Standard-TPU schafft nur etwa 50.000 Zyklen.
• Oberflächenqualität: HALS-Teile haben eine Oberflächenrauheit von etwa 10 Mikrometern, vergleichbar mit Spritzgussteilen, gegenüber 50–100 Mikrometern mit sichtbaren Rillen bei typischen schichtgedruckten Schuhen.
• Struktur: Die Sohle nutzt ein zu 80 % hohles Gitterdesign, das hohe Atmungsaktivität und einen federnden Dämpfungseffekt bietet, der Schaumstoff-Zwischensohlen oft fehlt, und die Luftzirkulation im Vergleich zu massiven Schaumstoffsohlen um mehr als 80 % steigert.
• Fertigung aus einem Stück: Der Schuh wird in einem Stück gedruckt, ohne Klebstoff oder separate Schichten, und ist daher widerstandsfähig gegen Knicke und Sohlenablösung. Es gibt keine geklebte Verbindung zwischen Sohle und Obermaterial, die bei einem herkömmlichen Schuh typischerweise als Erstes versagt.
• Skalierung: Während eine typische kleine 3D-Druck-Fertigung 1.000–2.000 Paar pro Monat produziert, ist der Prozess von Nexbie für 300.000 Paar pro Monat validiert.

Fazit

HALS verändert den Harz-3D-Druck grundlegend und führt ihn vom Prototyping in die echte industrielle Produktion. Das Verfahren nutzt eine chemische Totzone und KI-gesteuertes Licht und eliminiert damit den Abziehschritt, der die Vat-Photopolymerisation jahrzehntelang ausgebremst hat. Das Ergebnis sind schnellere Drucke, stärkere, isotrope Teile und Oberflächen, die dem Spritzguss ähneln.

Wie das im großen Maßstab aussieht, zeigt der Einsatz von Nexbie im Schuhbereich—kürzere Produktionszeiten, höhere Haltbarkeit und Fertigungsvolumen, die für den 3D-Druck einst als unmöglich galten. Mit zunehmender Reife von Materialien und Prozessen könnte das Potenzial von HALS weit über Schuhe hinaus in die breitere industrielle Fertigung reichen.