Stereolithografie (SLA)

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1. Was ist Stereolithografie 3D-Druck?

Die Stereolithografie – in Kurzform SLA (stereolithograph apparatus) – zählt zu den so bezeichneten additiven Fertigungstechnologien. Das Verfahren nutzt dabei das Prinzip der Photopolymerisation, um aus einem UV-empfindlichen Harz detailgenaue 3D-Modelle herzustellen. Das jeweilige Werkstück wird dabei von einem 3D-Drucker mittels materialisierender Rasterpunkte schichtweise aufgebaut. Typischerweise erfolgt die Fertigung vollautomatisch auf Basis von am Computer erstellten CAD-Daten. Grundsätzlich handelt es sich bei SLA um das älteste patentierte Fertigungsverfahren dieser Art.

2. Was ist unter additiven Fertigungstechnologien zu verstehen?

Der 3D-Druck wird im industriellen Kontext häufig auch als additive Fertigung bezeichnet. Diese Art der Fertigung eignet sich ideal für die Erstellung von Anschauungs- und Funktionsprototypen im Rahmen von Rapid Prototyping, für das Fertigen von Endprodukten (Rapid Manufacturing) sowie für das gezielte Herstellen von Formen und Werkzeugen (Rapid Tooling). Eine dementsprechend hohe Varianz an Anwendungen und Verfahren gibt es in der additiven Fertigung. Mithilfe der additiven Technologie können Formen und sogar hohle Strukturen realisiert werden, die mit subtraktiven Verfahren in der Form nicht möglich sind. Dies liegt an dem Schichtaufbau, wobei der gesamte Herstellungsprozess in einem einzigen Schritt erfolgt.

Dies sind die relevantesten Verfahren der additiven Fertigung:

• Stereolithografie (SLA)
• Selektives Laserschmelzen (SLM)
• Selektives Lasersintern (SLS)
• Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
• Binder Jetting (BJ)
• Laserauftragsschweißen (LMD)

3. Wann wurde die Stereolithografie erstmals offiziell vorgestellt?

Aus historischer Perspektive gilt die Stereolithografie als Ursprungsverfahren des modernen 3D-Drucks. Bereits im Jahr 1984 meldete der US-amerikanische Ingenieur und Erfinder Charles Hull ein Patent auf diese damals innovative Technologie an. Bei dem von ihm entwickelten Verfahren verfestigt der Laser eines 3D-Druckers das als Grundmaterial genutzte Harz genau an der Auftreffstelle.

Auf diese Weise kann ein Objekt schichtweise und mit sehr hochwertigen Oberflächen aufgebaut werden. Es sollte aber noch bis 1988 dauern, bis die von ihm gegründete Firma 3D Systems den weltweit ersten 3D-Drucker auf den Markt brachte. Die französischen Forscher Olivier de Witte, Jean-Claude André und Alain le Méhauté hatten nahezu zeitgleich ein ähnliches Patent eingereicht, aber gaben dieses aufgrund angeblich fehlender Marktchancen bereits frühzeitig wieder auf.

4. Wie ist ein SLA-3D Drucker aufgebaut?

Die im Rahmen der Stereolithografie eingesetzten Maschinen bzw. Drucker funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip. So verwenden die Geräte grundsätzlich eine Lichtquelle in Form eines Lasers oder alternativ eines Projektors, um das Flüssig-Harz in ausgehärteten Kunststoff entsprechend der jeweiligen Formvorgaben zu transformieren. Neben der Lichtquelle stellen zudem die Bauplattform, der Harztank und die Anordnung der Kernkomponenten die wichtigsten physikalischen Unterscheidungsmerkmale der 3D-Drucker dar.

Diese Elemente sind in jeder Stereolithografie-Maschine zwingend integriert:

• eine Lichtquelle (UV-Laser oder Projektor)
• Linsen zur optischen Fokussierung
• ein galvanometrischer Spiegel zur gezielten Laser-Steuerung
• eine Harztank-Vorrichtung und ein mit Harz befülltes Becken
• eine sich auf der Z-Achse bewegende Bauplattform
• ein sich auf der X-Achse bewegender Sweeper (Auftragsarm)
• Abstreichklinge
• Deckel mit UV-Schutz

5. Wie funktioniert das additive Fertigungsverfahren SLA?

Um ein Objekt aus flüssigem Harz zu erstellen, härtet der Laser das Flüssig-Harz schichtweise und punktgenau aus. Der Laserstrahl wird vom Drucker dabei über bewegliche Spiegel an die jeweils richtige Stelle gelenkt. Bei diesen Spiegeln handelt es sich um so bezeichnete Galvanometer, mit denen sich proportional zum elektrischen Strom exakte mechanische Drehbewegungen erzeugen lassen. Dadurch findet der Laser immer die genau richtige Position, um das Harz Schicht für Schicht komplett auszuhärten.

Als Basis für die gezielte Aushärtung fungiert dabei ein detailliertes 3D-Modell, das via CAD-Software, einer 3D-Druckervorlage und einem 3D-Scanner erstellt wird. Dieses Modell muss anschließend in der Form umgewandelt werden, dass es beim Druckprozess spezifische Anweisungen an der Drucker weitergibt. Realisieren können Sie diese Umwandlung mit spezieller Slicer-Software bzw. Slicing-Software, die als Vermittler zwischen 3D-Drucker und dem 3D-Modell eine entscheidende Rolle einnimmt. Von der Funktionsweise her konvertiert der Slicer das Modell in mehrere dünne Schichten und erstellt eine G-Code-Datei. Diese Datei enthält alle auf den jeweiligen Druckertyp explizit zugeschnittene Anweisungen, die für das Transformieren in eine ausgehärtete Kunststoffform notwendig sind.

Starten Sie dann den eigentlichen Druckvorgang, fährt die Bauplattform in den transluzenten Tank, in dem sich das flüssige Harz befindet. Mithilfe der Anweisungen und Informationen tastet sich anschließend der Laserstrahl die erforderlichen Stellen auf jeder Ebene ab. Ist eine Materialschicht fertiggestellt und somit verfestigt, senkt sich die Bauplattform mit ihrem Druckbett um die gewünschte Schichtstärke ab.

Jetzt kann eine weitere Ebene gelasert werden, wobei sich immer die vorherige und die aktuell bearbeitete Schicht miteinander verbinden. Dieser Arbeitsschritt wiederholt sich so oft, bis das 3D-Objekt komplett fertiggestellt ist. Einige 3D-Drucker setzen die Technologie dabei auch genau umgekehrt ein. Das bedeutet, dass in diesem Fall die Bauplattform nach jeder transformierten Schicht in den mit Harz gefüllten Behälter eintaucht und der UV-Laser dabei jetzt von unten nach oben wirkt.

6. Welche Merkmale und Eigenschaften weist die Stereolithografie auf?

– In das STL-Format konvertierte 3D-CAD-Daten werden an den genutzten SLA-Drucker ganz einfach per USB-Kabel, Speicherkarte oder zum Beispiel auch Bluetooth übertragen. Das Ausführungsprogramm des Druckers muss dabei in der Lage sein, abwärts gerichtete Überhänge des Druckobjekts mithilfe von so bezeichneten Supports abzufangen. Bei diesen Supports handelt es sich diesbezüglich um einzufügende Stützkonstruktionen. Nach der Beendigung des Druckvorgangs und noch vor der endgültigen Aushärtung werden die genutzten Stützkonstruktionen mechanisch entfernt.

– Für das SLA-3D-Druckverfahren benötigen Sie sowohl CAD-Daten über das 3D-Modell als auch eine funktionelle Slicing-Software. Während die CAD-Daten die Baulage und -form festlegen, generiert die Slicer-Software die vom 3D-Drucker benötigten geometrischen Steuerdaten. Dieser Vorgang wird dann als Slicen bezeichnet.

– Die an das Fertigungssystem gesendeten Daten bilden die Voraussetzung für eine gezielte Steuerung des Laserstrahls auf den verschiedenen Ebenen. Anhand der übermittelten Daten kann die für die Bearbeitung durch den Laserstrahl vorgesehene Fläche in bestimmte Schraffurmuster unterteilt bzw. belichtet werden. Der Art des Musters kommt dabei eine hohe Bedeutung zu, denn sie beeinflusst die Schwindung im erheblichen Umfang. Als besonders effektiv haben sich in unserer Praxis vor allem bestimmte Zellbelichtungen erwiesen.

– Die Umrandung wird in der Regel ebenfalls mit einer Laserspur gezielt abgefahren. Wichtig ist dabei, dass Sie dabei die Breite des Laserstrahls bei der Berechnung der Bewegungen und Bewegungsabläufe berücksichtigen. Bei unsachgemäßer Daten-Eingabe kann es hier zu Bearbeitungsfehlern kommen.

– Die Stereolithografie zeichnet sich nicht zuletzt auch durch eine enorme Prozessgeschwindigkeit aus. So erstellen wir in vielen Fällen bereits innerhalb weniger Stunden aus den vorliegenden CAD-Informationen ein reales Modell.

– Die Stereolithografie ermöglicht neben geringen Wandstärken und feinen Strukturen auch eine eminent hohe Präzision. Diese liegt im Rahmen von klassischen Anwendungen typischerweise bei 0,1 Millimetern. Kommt SLA bei RMPD-Verfahren (Rapid Micro Product Development), also bei der schnellen Produktentwicklung und Serienfertigung von Mikrostrukturen und -systemen oder auch von einzelnen Mikroteilen, zum Einsatz, fällt die Abweichung noch einmal erheblich niedriger aus.

– Beim SLA-Verfahren baut sich das Modell direkt in einer Flüssigkeit (flüssiger Harz) auf. Dies führt gerade bei größeren Bauteilen zu überhängenden Teilen. Um den kompletten Aufbau zu gewährleisten, benötigen Sie daher oftmals Stützstrukturen, die erst nach Beendigung des Druckvorgangs wieder entfernt werden. Dabei kommt es zu einer Besonderheit: Während andere Rapid-Prototyping-Verfahren Stützkonstruktionen aus unterschiedlichen Materialien nutzen, bestehen Stützstruktur und Bauteil beim Stereolithografie-Verfahren aus dem gleichen Material. Eine Verbindung von Bauteil und Stützstruktur ist daher nicht zu vermeiden, was eine mechanische Entfernung nötig macht.

– In den meisten Fällen wird das mittels der Stereolithografie erstellte Modell zusätzlich noch in einem UV-Licht-Schrank ausgehärtet.

7. In welchen Bereichen kommt die Stereolithografie vorzugsweise zum Einsatz?

Im Vergleich zum selektiven Laserschmelzen (SLS) und anderen generativen Fertigungsverfahren weisen die Stereolitografie-Modelle eine spröde Struktur auf. Zudem begrenzt der Einsatz von Stützkonstruktionen bei Hinterschneidungen die Geometrie des jeweiligen Bauteils. Diese beiden Aspekte schränken die Anwendungsgebiete ein. Vorzugsweise eingesetzt wird SLA daher bei der Erstellung von Prototypen. Hierbei kann es sich sowohl um Konzept- und Geometrie-Modelle als auch um Funktions- und Anschauungsmodelle handeln.

Beispiele für die Fertigung von Prototypen

• Filigrane Modelle mit einem hohen Bedarf an Detailtreue
• Explizite Werkzeuge für den Spritzguss
• Kleinserienproduktion von komplex strukturierten Endprodukten
• Modelle als visuelle Prototypen für Marketingvorhaben oder beispielsweise auch Fotoshootings
• Medizinische Produkte wie zum Beispiel Bohrschablonen für Implantate sowie Zahnschienen
• Wachsmodelle für das Wachsausschmelzverfahren zur Fertigung von Metallobjekten

Neben der Erstellung von Prototypen unterschiedlichster Art kommt das Stereolithografie-Verfahren mittlerweile auch verstärkt im Bereich Rapid Manufacturing zum Einsatz. So lassen sich mithilfe der Stereolithografie zum Beispiel vollständige Lab-on-Chip-Systeme, individuelle Gehäuse für Hörgeräte, Funktionsbauteile für Präzisionsbauteile oder Komponenten für den Modellbau anfertigen.

Insbesondere im Maschinenbau, in der Automobilindustrie, in der Elektrotechnik, der Möbelindustrie und der Medizin wird die Stereolithografie für die Erstellung von Prototypen und kleinen Produkten vorzugsweise genutzt. Auch die Herstellung von exakten Gussmodellen für den Vakuumguss sowie Architekturmodellen via SLA-3D-Drucks hat stark an Bedeutung gewonnen. Da die SLA Drucker hochpräzise geformte Teile mit glatter Oberfläche produzieren, ist die Technologie zudem prädestiniert für die Fertigung von komplexen Funktionsteilen und Kunststoff-Kleinstteilen sowie aber auch von Schmuckformen und hochgradig detaillierten Skulpturen.

8. Welche Materialien können bei der Stereolithografie verwendet werden?

Sie können sich zwischen verschiedenen Harzen mit unterschiedlichen Eigenschaften entscheiden. SLA-Kunstharze gelten dabei als besonders vielseitig und bieten ein breites Spektrum an möglichen Formulierungskonfigurationen. So können Sie durch die Materialwahl gezielt festlegen, ob die Modellstruktur eher harte oder weiche Materialien benötigt und wie hoch der Anteil an sekundären Materialien wie Keramik oder Glas sein soll. Gleiches gilt für die mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Schlagzähigkeit oder der Wärmeformbeständigkeit. Dadurch erlaubt das SLA-Verfahren auch die Fokussierung auf eine branchenspezifische Materialauswahl auf Basis von anforderungstypisch formulierten Harzen. Die Hersteller der SLA-Materialien haben diesbezüglich eine große Bandbreite an innovativen SLA-Harzformulierungen entwickelt, die unterschiedliche thermische, optische und mechanische Eigenschaften bieten. Diese Harzformulierungen entsprechen dabei in der Regel den industriellen und technischen Thermoplasten

Beispiele für die Materialvielfalt im SLA-Bereich:

• spezifisch formuliertes Kunstharz für die Fertigung von Prototypen mit besonders hohen Belastungswerten
• weiche Harze mit einer vergleichsweise hohen Flexibilität
• besonders hitzefähiges Material beispielsweise für die Fertigung von Spritzguss-Werkzeugen im Rahmen von Kleinserienproduktionen
• mit anderen Materialien angereicherte Kunstharze für extrem glatte Oberflächen und den stabilen Druck von dünnen Wänden
• gussfähiges Material für die Fertigung von detailgetreuen Modellen für das Feingussverfahren

9. Wie sieht die Nachbearbeitung bei der Stereolithografie aus?

Nach Beendigung des Druckprozesses werden die Druckteile in Isopropylalkohol (IPA) sorgfältig gespült. Dadurch entfernen Sie von den Oberflächen der Modelle sämtliche nicht ausgehärtete Harzablagerungen. Oftmals müssen zudem manche Materialien zusätzlich nachgehärtet werden. Durch eine vollumfängliche Aushärtung erreichen Sie die maximal mögliche Stabilität und Festigkeit des jeweiligen Objekts. Gerade bei funktionalen Kunstharzen im Bereich technischer Anwendungen sowie bei spezifischen Materialien für Schmuck oder zahntechnische Anwendungen stellt das Nachhärten einen wesentlichen Erfolgsfaktor dar.

Haben Sie Stützkonstruktionen verwendet, müssen Sie diese jetzt nachträglich mechanisch entfernen. Die verbleibenden Stützspuren lassen sich anschließend sauber abschleifen. Anschließend können die SLA-Teile je nach spezifischer Anforderung oder Oberflächengüte grundiert, lackiert, spanend bearbeitet und montiert werden.

10. Welche Vor- und Nachteile weist die Stereolithografie auf?

Jedes der zur Verfügung stehenden 3D-Druck-Verfahren bietet spezifische Vorteile, weist aber auch Nachteile auf. Das gilt selbstverständlich auch für die Stereolithografie. Im Folgenden haben wir für Sie die wesentlichen Vor- und Nachteile der Stereolithografie bzw. des SLA-Verfahrens übersichtlich aufgelistet.

Diese Vorteile bieten SLA-Verfahren

• sehr hohe Präzision und Genauigkeit
• kaum sichtbare Schichten
• vergleichsweise schneller Druckprozess
• große Bauräume möglich
• hochgradig isotrope Teile
• durchgehende Wasserdichtigkeit der Teile
• makellose Oberflächenbeschaffenheit und filigrane Umsetzung von Details
• sehr große Auswahl an Materialien

Diese Nachteile weist das SLA-Verfahren auf:

• geringere mechanische Festigkeit
• für nahezu alle Modelle werden Stützstrukturen benötigt
• Bauteile ohne Lackierung sind nicht langzeit-UV-beständig