Stereolithografie-3D-Druck (SLA) ist dank seiner Möglichkeiten, hochgenaue, isotrope, wasserdichte Prototypen in verschiedenen fortschrittlichen Materialien mit feinen Details und einer glatten Oberfläche zu bieten, äußerst beliebt geworden. 

Was ist Stereolithografie-3D-Druck?

SLA gehört zu einer Gruppe von additiven Fertigungstechniken, die auch als „Vat“-Photopolymerisation bezeichnet wird. Diese Geräte arbeiten alle nach demselben Prinzip, nämlich dem Einsatz einer Lichtquelle (UV-Laser oder Projektor) zur Aushärtung von flüssigem Kunstharz zu hartem Kunststoff. Der physikalische Hauptunterschied liegt in der Anordnung der Kernkomponenten, z. B. der Lichtquelle, der Konstruktionsplattform und des Harztanks.

SLA 3D-Drucker nutzen duroplastische Materialien, die mit Licht reagieren und als „Resins“ oder Kunstharze bekannt sind. Wenn SLA-Kunstharze bestimmten Lichtwellenlängen ausgesetzt werden, vereinen sich kurze Molekülketten, die Monomere und Oligomere polymerisieren und ausgehärtet steife oder flexible Geometrien bilden.

SLA-Teile liefern die höchste Auflösung und Genauigkeit, den höchsten Detailgrad und die glatteste Oberfläche aller 3D-Drucktechnologien. Der Hauptvorteil der Stereolithografie ist allerdings ihre Vielseitigkeit.

Materialhersteller haben innovative SLA-Kunstharzformulierungen entwickelt, die unterschiedliche optische, mechanische und thermische Eigenschaften bieten und denen von Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten in nichts nachstehen.

 

Der Arbeitsprozess beim SLA 3D-Druck

1. Design

Konstruieren Sie Ihr Modell mit einer beliebigen CAD-Software oder 3D-Scandaten und exportieren Sie es in einem für den 3D-Druck geeigneten Dateiformat (STL oder OBJ). Jeder SLA-Drucker verfügt über Software, um die Druckeinstellungen zu konfigurieren und das digitale Modell in Schichten aufzuteilen, die horizontale Querschnitte des Teils darstellen. Nach der Einstellung sendet die Druckvorbereitungssoftware die Vorgaben per WLAN- oder Kabelverbindung an den Drucker.

2. Druck

Nach einer raschen Bestätigung der korrekten Einrichtung beginnt der Druckvorgang und das Gerät kann bis zu dessen Abschluss unbeaufsichtigt laufen. Bei Druckern mit Kartuschensystem wird das Material automatisch vom Gerät nachgefüllt.

3. Nachbearbeitung

Nach Abschluss des Druckvorgangs müssen die Druckteile in Isopropylalkohol (IPA) gespült werden, um alle unausgehärteten Harzablagerungen von den Oberflächen zu entfernen. Nachdem die gespülten Teile getrocknet sind, müssen manche Materialien nachgehärtet werden. Bei diesem Prozess lässt sich die höchstmögliche Festigkeit und Stabilität erreichen. Entfernen Sie abschließend die Stützen vom Teil und schleifen Sie die verbleibenden Stützspuren sauber ab. SLA-Teile können leicht für spezifische Anwendungen oder Oberflächengüten spanend bearbeitet, grundiert, lackiert und montiert werden.

 

Eine kurze Geschichte der Stereolithografie

Stereolithografie (SLA) wurde in den frühen 1980er Jahren erfunden, als der japanische Forscher Dr. Hideo Kodama den modernen Schichtaufbau für die Stereolithografie erfand und dabei UV-Licht nutzte, um lichtempfindliche Polymere zu härten. Der Begriff Stereolithografie wurde von Charles (Chuck) W. Hull erfunden, der die Technologie 1986 patentieren ließ und das Unternehmen 3D Systems gründete, um sie zu kommerzialisieren. Hull beschrieb die Methode als das Herstellen von dreidimensionalen Modellen durch das aufeinanderfolgende „Drucken“ dünner Schichten aus einem Material, das sich durch ultraviolettes Licht härten lässt.

SLA 3D-Druck war jedoch nicht die erste 3D-Drucktechnologie, die sich großer Beliebtheit erfreute. Als die Patente Ende der 2000er Jahre abliefen, wurde die additive Fertigung durch Einführung des kleinformatigen Desktop 3D-Drucks immer breiteren Anwenderkreisen zugänglich gemacht. Dabei kam zunächst das Fused Deposition Modeling (FDM, Schmelzschichtung) auf Desktop-Plattformen zum Einsatz.

Zwar trug diese erschwingliche Extrusionstechnik zur zunehmenden Verbreitung des 3D-Drucks bei, doch die Qualität der gefertigten Teile hat den Einsatz von FDM-Druckern begrenzt, da für professionelle Anwendungszwecke wie bei biokompatiblen Materialien in der Zahntechnik wiederholbare Ergebnisse von hoher Präzision unerlässlich sind. Hinzu kommen die Anforderungen der Schmuckherstellung und der Millifluidik, bei denen filigrane Details gefertigt werden müssen.

 

Das nächste Kapitel für SLA: Low Force Stereolithography 3D-Druck

Low Force Stereolithography (LFS)Technologie ist die neueste Entwicklung beim SLA 3D-Druck und erfüllt die Anforderungen des heutigen Markts an skalierbaren, zuverlässigen 3D-Druck in industrieller Qualität.

Bei dieser fortschrittlichen Form des SLA-Drucks kommen ein flexibler Tank und lineare Beleuchtung zum Einsatz, wodurch die auf die Teile wirkenden Kräfte deutlich reduziert und eine unglaubliche Oberflächenqualität und Druckgenauigkeit erzielt werden. Durch die geringeren Druckkräfte lassen sich berührungsempfindliche Stützstrukturen einsetzen, die leicht abgelöst werden können. Zusätzlich eröffnet der Prozess eine Vielzahl von Möglichkeiten bei der Entwicklung fortschrittlicher, produktionsreifer Materialien.

Die umgekehrte SLA sorgt für Abzugskräfte, die auf das Druckteil wirken, wenn es von der Tankoberfläche getrennt wird. Darum ist das Fertigungsvolumen begrenzt und robuste Stützstrukturen sind erforderlich. Der Form 2 ist genau kalibriert, um die Kräfte beim Ablöseprozesszu berücksichtigen und hochwertige Teile zu liefern.

 

Wieso SLA 3D-Druck?

Ingenieure, Designer, Hersteller und weitere Profis wählen SLA 3D-Druck wegen der feinen Merkmale, der glatten Oberfläche, der vollendeten Teilepräzision und -genauigkeit und den mechanischen Eigenschaften wie Isotropie, Wasserdichtigkeit und Vielseitigkeit der Materialien.

Isotropie

Da beim 3D-Druck die Teile schichtweise gefertigt werden, gibt es bei fertigen Druckteilen abhängig von der Ausrichtung des Teils zum Druckprozess möglicherweise Unterschiede in Sachen Festigkeit. Dabei treten unterschiedliche Eigenschaften in den X-, Y- und Z-Achsen zu Tage.

Druckprozesse wie Schmelzschichtung (FDM) sind aufgrund der beim Druckprozess entstehenden Unterschiede von Schicht zu Schicht als anisotrop bekannt. Diese Anisotropie begrenzt die Nutzbarkeit von FDM bei bestimmten Eigenschaften oder macht zusätzliche Anpassungen bei der Druckgeometrie erforderlich, um sie zu kompensieren.

Im Gegensatz dazu sorgt SLA-Druck für hochgradig isotrope Teile. Die Erzielung von Teileisotropie hängt von verschiedenen Faktoren ab, die genau gesteuert werden können, indem die Materialchemie für den Druckprozess genutzt wird. Während des Druckvorgangs bilden die Harzbestandteile kovalente Bindungen, doch von Schicht zu Schicht bleibt das Teil ein halb reagiertes „Grünteil“.

In diesem Grünteilzustand bleiben im Kunstharz polymerisierbare Gruppen zurück, die Verbindungen über Schichten hinweg eingehen können. Bei der endgültigen Aushärtung werden dem Teil so Isotropie und Wasserdichtigkeit verliehen. Auf molekularer Ebene gibt es keine Unterschiede zwischen den X-, Y- oder Z-Schichten. Dies führt zu Teilen mit vorhersehbaren mechanischen Eigenschaften, die für Anwendungen wie Vorrichtungen, Fertigteile und funktionsfähige Prototypen erforderlich sind.

Da sie isotrop sind, halten SLA-Druckteile wie diese Vorrichtung von Pankl Racing Systems Kräften aus unterschiedlichen Richtungen stand, denen sie bei Fertigungsschritten mit hohen Belastungen unterworfen sind.

Wasserdichtigkeit

SLA-Druckteile sind durchgehend, unabhängig davon, ob Geometrien mit massiven Details oder internen Kanälen erzeugt werden. Die Wasserdichtigkeit ist wichtig für ingenieurtechnische und fertigungstechnische Anwendungen, bei denen der Luft- oder Fluidfluss kontrolliert und vorhersehbar sein muss. Ingenieure und Designer nutzen die Wasserdichtigkeit von SLA, um Herausforderungen bei Luft- und Flüssigkeitsströmen in den Bereichen Automobiltechnik und biomedizinische Forschung zu lösen und Teiledesigns für Produkte wie Küchengeräte zu validieren.

Genauigkeit und Präzision

Branchen von der Zahnmedizin bis zur Fertigung verlassen sich auf SLA 3D-Druck, um wiederholt genaue, präzise Komponenten zu fertigen. Damit ein Druckprozess genaue und präzise Teile herstellen kann, müssen mehrere Faktoren genau gesteuert werden.

Im Vergleich zur Genauigkeit der spanenden Bearbeitung liegt der SLA 3D-Druck zwischen der Standardbearbeitung und der Feinbearbeitung. SLA hat die engsten Toleranzen aller kommerziell verfügbaren 3D-Technologien. Erfahren Sie mehr über Genauigkeit, Präzision und Toleranz im 3D-Druck.

Die Kombination aus beheiztem Harztank und geschlossener Konstruktionsumgebung gewährleistet nahezu identische Bedingungen für jeden Druckauftrag. Die höhere Genauigkeit lässt sich darauf zurückführen, dass mit niedrigeren Drucktemperaturen gearbeitet wird als bei Thermoplasttechnologien, bei denen das Rohmaterial geschmolzen wird. Da SLA statt Wärme Licht einsetzt, erfolgt der Druckvorgang nahezu bei Raumtemperatur. Aus diesem Grund kommt es bei den Druckteilen nicht zu Artefakten durch Wärmeausdehnung und Kontraktion.

Beim Low Force Stereolithography (LFS) 3D-Druck befindet sich die Optik in einer Light Processing Unit (LPU), die sich in der X-Richtung bewegt. Ein Galvanometer positioniert den Laserstrahl in der Y-Richtung und lenkt ihn dann über einen Faltspiegel und einen Parabolspiegel, um einen Strahl zu erzeugen, der stets senkrecht auf die Druckebene fällt. So bewegt er sich immer in einer gerade Linie und sorgt für noch mehr Präzision und Genauigkeit. So kann die Gleichmäßigkeit ermöglicht werden, wenn Hardware auf größere Formate skaliert wird, wie den großformatigen SLA-Drucker Form 3L. Die LPU nutzt auch einen Raumfilter, um einen scharfen Laserstrahl mit größerer Präzision zu erzeugen.

Die Eigenschaften der individuellen Materialien sind ebenfalls wichtig, um einen zuverlässigen, wiederholbaren Druckprozess zu ermöglichen.

Filigrane Details und makellose Oberflächenbeschaffenheit

SLA-Druck gilt als der Maßstab für die Erzielung einer glatten Oberfläche. Es lassen sich Oberflächenbeschaffenheiten erreichen, die denen bei traditionellen Fertigungsverfahren wie Bearbeitung, Spritzguss und Extrusion ähneln.

Diese Oberflächenbeschaffenheit ist für Anwendungen ideal, die makellose Oberflächen erfordern, und spart außerdem Zeit bei der Nachbearbeitung, da die Teile problemlos abgeschliffen, poliert und lackiert werden können. Beispielsweise nutzen Marktführer wie Gillette SLA 3D-Druck, um fertige Konsumprodukte wie 3D-gedruckte Rasierergriffe für seine Razor Maker Produktplattform zu drucken.

Die Schichthöhe der Z-Achse wird häufig genutzt, um die Auflösung eines 3D-Druckers zu definieren. Sie kann bei Formlabs SLA 3D-Druckern zwischen 25 und 300 Mikrometern angepasst werden, wobei sich ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Qualität ergibt.

Im Vergleich dazu drucken FDM- und SLS-Drucker für gewöhnlich Z-Achsenschichten zwischen 100 und 300 Mikrometern. Jedoch unterscheidet sich ein Teil, das mit 100 Mikrometern auf einem FDM- oder SLS-Drucker hergestellt wurde, von einem Teil, das mit derselben Auflösung auf einem SLA-Drucker gedruckt wurde. SLA-Drucke haben eine glattere Oberfläche, wenn sie aus dem Drucker kommen, da die äußeren Begrenzungswände gerade sind, und die neu gedruckte Schicht mit der vorherigen Schicht interagiert, sodass der „Treppeneffekt“ geglättet wird. FDM-Drucke haben für gewöhnlich deutlich sichtbare Schichten, während die Oberfläche beim SLS-Verfahren aufgrund des gesinterten Pulvers körnig ist.

Beim SLA-Druck werden außerdem selbst winzigste Details weitaus genauer wiedergegeben. Grund hierfür ist die Tatsache, dass der Form 3 mit einer Laserspotgröße von 85 Mikrometern arbeitet, wohingegen industrielle SLS-Drucker Düsen von 350 Mikrometern verwenden und FDM-Maschinen Düsen von 250 bis 800 Mikrometern einsetzen.

Materialvielfalt

SLA-Kunstharze bieten eine große Anzahl an Formulierungskonfigurationen: Die Materialien können weicht oder hart, stark mit sekundären Materialien wie Glas oder Keramik gefüllt sein, oder über mechanische Eigenschaften wie eine hohe Wärmeformbeständigkeitstemperatur oder Schlagzähigkeit verfügen. Die Materialien reichen in ihren Anwendungen von branchenspezifisch wie jene für Zahnersatz bis hin zu Kunstharzen, die bei der Prototypenfertigung dem Endprodukt sehr ähneln, und formuliert sind, um umfangreichen Tests standzuhalten und unter Belastung zu funktionieren.

Mit Ceramic Resin können Sie 3D-Druckteile fertigen, deren Oberfläche Stein ähnelt. Sie können zu vollwertigen Keramikteilen gebrannt werden.

In manchen Fällen ist es diese Kombination aus Vielseitigkeit und Funktionalität, die Unternehmen dazu bewegt, SLA firmenintern zu nutzen. Nachdem eine Anwendung mit einem spezifischen funktionsfähigen Material gelöst wurde, dauert es häufig nicht lange, bis weitere Möglichkeiten gefunden werden und der Drucker zu einem Werkzeug wird, mit dem die verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen Materialien genutzt werden können.

Beispielsweise verlassen sich hunderte Ingenieure der Design and Prototyping Group des Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) an der University of Sheffield auf den freien Zugang zu einer Flotte aus 12 SLA 3D-Druckern und einer Vielzahl an technischen Kunstharzen, um vielfältige Forschungsprojekte mit Industriepartnern wie Boeing, Rolls-Royce, BAE Systems und Airbus zu unterstützen. Das Team nutzte High Temp Resin, um Unterlegscheiben, Halterungen und ein Sensorhalterungssystem zu bauen,das hohen Temperaturen standhält. Es setzte außerdem Durable Resin ein, um maßgefertigte filigrane Federkomponenten für einen Pick-and-Place-Roboter zu fertigen, der die Herstellung von Verbundwerkstoffen automatisiert.

 

Anwendungen für SLA 3D-Druck

SLA 3D-Druck beschleunigt die Innovation und unterstützt Unternehmen in vielen verschiedenen Branchen wie Maschinenbau, Fertigung, Zahnmedizin, Gesundheit, Bildung, Unterhaltung, Schmuck, Hörakustik und mehr.

Maschinenbau und Produktdesign

Rapid Prototyping mit 3D-Druck gibt Ingenieuren und Designern die Möglichkeit, Ideen in realistische Proof-of-Concept-Modelle zu verwandeln, diese Konzepte zu hochpräzisen Prototypen weiterzuentwickeln, die aussehen und funktionieren wie die Endprodukte, und Produkte durch eine Reihe von Validierungsschritten zu führen, die in der Serienproduktion enden.

Fertigung

Fertigungsunternehmen automatisieren Produktionsprozesse und rationalisieren Arbeitsabläufe, indem sie Werkzeugprototypen entwickeln und per 3D-Druck maßgefertigte Werkzeuge, Formen und Produktionshilfen deutlich kostengünstiger und schneller als traditionelle Fertigungsverfahren herstellen. Damit sparen sie Fertigungskosten ein, senken die Fehlerquote, steigern die Qualität, beschleunigen die Montage und nutzen Arbeitskraft optimal aus.

Zahnmedizin

Digitale Zahnmedizin senkt das Risiko menschlichen Versagens und liefert gleichmäßigere Produkte und eine höhere Genauigkeit und Präzision bei jedem Arbeitsschritt. So erhält der Patient die bestmögliche Behandlung. 3D-Drucker können eine breite Spanne hochwertiger, maßgefertiger Produkte und Dentalvorrichtungen bei geringen Stückkosten herstellen. Dabei werden zudem eine exzellente Passform und wiederholbare Ergebnisse gewährleistet.

Bildung

3D-Drucker sind multifunktionale Werkzeuge für immersives Lernen und innovative Forschung. Sie können die Kreativität fördern, Schülern und Studenten professionelle Technologie näherbringen und MINT-Kenntnisse in den Wissenschaften, Technik, bildenden Künsten und Design vermitteln.

Gesundheitswesen

Erschwinglicher, professioneller Desktop 3D-Druck eröffnet Ärzten neue Wege, Behandlungen und Medizinprodukte zu bieten, die besser auf die einzelnen Patienten abgestimmt sind. So können sie leistungsstarke medizinische Anwendungen bereitstellen und gleichzeitig maßgeblich Zeit und Kosten einsparen – in der Behandlung ebenso wie im Labor.

Unterhaltung

Hochaufgelöste physische Modelle kommen in der Bildhauerei, der Charaktermodellierung und der Herstellung von Requisiten häufig zur Anwendung. 3D-gedruckte Teile kamen bereits für Stop-Motion-Filme, Videospiele, maßgeschneiderte Kostüme und Special Effects in Blockbuster-Filmen zum Einsatz.

Schmuck

Schmuckhersteller verwenden CAD- und 3D-Druck, um schnell Prototypen ihrer Designs anzufertigen, sie Kunden anprobieren zu lassen und große Chargen an gussbereiten Teilen herzustellen. Digitale Tools erlauben die Fertigung gleichmäßiger, detaillierter Schmuckstücke ohne die mühselige Kleinarbeit und die Abweichungen, die mit Wachsmodellierung einhergehen.

Audiologie

Hörakustiker und -labore nutzen digitale Workflows und 3D-Druck, um hochwertige Otoplastiken gleichmäßiger und mit höheren Stückzahlen herzustellen. Anwendungsmöglichkeiten umfassen HDO-Hörgeräte, Hörschutz und maßgefertigte Ohrstöpsel und Ohrhörer.

 

Kurze Durchlaufzeiten und schnelle Designänderungen

Kurze Durchlaufzeiten sind ein großer Vorteil für Eigentümer von Desktop 3D-Druckern. Bei der Arbeit mit einem Druckdienstleister sorgen Durchlaufzeiten, Kommunikation und Lieferung für Verzögerungen. Mit einem Desktop 3D-Drucker wie dem Form 3 halten Sie das Teil nach wenigen Stunden in den Händen. So können Designer und Ingenieure mehrere Teile an einem Tag drucken, was schnellere Iterationen ermöglicht und die Produktentwicklungszeit reduziert. Mechanismen und Baugruppen können schnell getestet werden, um kostenspielige Werkzeugänderungen zu vermeiden.

 

Kosteneinsparungen

Ein eigener Desktop 3D-Drucker bietet erhebliche Einsparungen gegenüber 3D-Druckdienstleistern und traditionellen Bearbeitungsverfahren, da diese Alternativen mit zunehmender Nachfrage und wachsender Produktion schnell teuer werden.

Ein Beispiel: Um enge Produktionsfristen zu erfüllen, haben ein Prozessingenieur und sein Team bei Pankl Racing Systems den SLA 3D-Druck eingeführt, um maßgefertigte Halterungen und andere Kleinserienteile direkt für die Fertigungslinie herzustellen. Obwohl man im Unternehmen dem firmeninternen SLA-Druck zunächst skeptisch gegenüberstand, erwies er sich bald als ideale Alternative zur spanenden Fertigung verschiedener Werkzeuge. In einem Fall wurde die Durchlaufzeit von Haltevorrichtungen um 90 Prozent von zwei bis drei Wochen auf weniger als ein Tag reduziert. Die Kosteneinsparung lag zwischen 80 und 90 Prozent.

 

Quelle: Lesen Sie den vollständigen Artikel auf formlabs.com.

Bild: formlabs.com.