Stereolithographie

Bereits vor rund 30 Jahren waren schon 3D-Drucker erhältlich, die mittels punktueller Belichtung spezielles flüssiges Kunstharz aushärteten. Allerdings waren diese zum einen ungemein komplex und zum anderen kaum finanzierbar. Die heute erhältlichen Stereolithographie Maschinen bzw. Stereolithographie 3D Drucker bestehen in der Regel aus fünf Einzelkomponenten. Zu diesen zählen neben dem UV-Laser ein optischer Scanner bzw. das Strahlenführungssystem, ein Mikroprozessor, der das gesamte System steuert, sowie die eigentliche Betriebssoftware. Zudem beinhalten entsprechende Anlagen einen Photopolymerbehälter inklusive der Arbeitsplattform in der Kammer für den wichtigen Lichthärteprozess.

Komponente UV-Laser

Der in einer Stereolithografie Anlage eingesetzte UV-Laser bzw. der jeweilige Laserstrahl hat die Aufgabe, das flüssige Kunstharz auszuhärten. Moderne Stereolithografie Geräte arbeiten hier vorzugsweise mit einem Helium-Cadmium-Laser oder – eher seltener – auch mit einem Argon-Ionen-Laser. Ersterer produziert dabei ein Ultraviolettlicht, das über einen außergewöhnlich hohen Wirkungsgrad im Hinblick auf die genutzten Polymere verfügt; dies liegt nicht zuletzt an einer stimmigen Überschneidung der jeweiligen Wellenlängebereiche. Die speziellen Eigenschaften der UV-Laserstrahlen entstehen dabei quasi aus einer stimulierten Emission. Dabei arbeitet der Laser in resonanter Rückkoppelung. Die benötigte Energie stellt ein Lasermedium – wie etwa Gas, Kristall oder Flüssigkeit – bereit. Aufgrund der äußeren Energiezufuhr herrscht dabei eine so bezeichnete Besetzungsinversion. In der Regel erreichen die Laser in der Stereolithographie Scangeschwindigkeiten bis zu 10 m/s.

Komponente Optischer Scanner / Strahlenführungssystem

Der optische Scanner fungiert quasi als Herzstück eines optischen Strahlenführungssystems. Der optische Scanner an sich ist dabei in der Regel als dynamischer Spiegel in ein solches Strahlenführungssystem integriert, wobei ihm die Aufgabe zufällt, den entsprechenden Laserstrahl in X- sowie Y-Richtung zu leiten bzw. zu führen. Zudem kommen innerhalb dieses Strahlenführungssystems noch ein den Lichtstrahl verstärkenden Strahlenexpander sowie eine Blende zum Einsatz. Der Strahlenexpander wird dabei direkt vor dem optischen Scanner angebracht, um das Laserlicht direkt von Anfang an entsprechend zu verstärken. Direkt im Umfeld des Strahlenexpanders befinden sich bei der Mehrzahl der Stereolithographie-Maschinen dann zwei Umlenkspiegel, die in einem Winkelvon exakt 90 Grad zueinander montiert sind.

Komponente Mikroprozessor (Steuerungseinheit)

Die gesamte Stereolithografie Anlage wird über einen integrierten Mikroprozessor gesteuert. Dabei steigert dieser Prozessor zum Beispiel automatisch die Produktivität der jeweiligen Anlage bzw. des jeweiligen 3D-Druckers. So errechnet er eigenständig etwa den kürzesten Weg des Laserstrahls oder optimiert bedarfsgerecht die Druckergeschwindigkeit. Oftmals ist ein eingebauter Mikroprozessor zusätzlich mit einem diagnostischem Dispositiv kombiniert, da auf diesem Weg eine schnellere Ermittlung von Mängeln oder Fehlern möglich ist. In den meisten Fällen steht für den zu einer bestimmten Mikroprozessorfamilie zugehörigen Prozessor zusätzlich eine hochmoderne sowie leistungsfähige Toolchain zur Verfügung.

Komponente Betriebssoftware

Da sämtliche 3D-Drucker, die bei der Stereolithographie zum Einsatz kommen, nach dem gleichen Prinzip agieren, können Anwender auf verschiedene Arten von 3D Modellierungs- bzw. 3D Konstruktionssoftware zurückgreifen. Diese erlauben grundsätzlich eine einfache und vergleichsweise schnelle Modellierung. So existiert Software, die explizit für Einsteiger entworfen wurde und großen Wert auf eine einfache sowie intuitive Handhabung Wert legt. Auch für deutlich engagiertere Anwender sind verschiedene Software-Versionen erhältlich. In der Regel erlauben es diese, dass auch komplexe 3D Modelle ohne tiefgreifendes Vorwissen vom jeweiligen Anwender erstellt werden können. Selbstverständlich gibt es auch entsprechende Softwarelösungen für Fortgeschrittene und Profis wie etwa Architekten, Produktdesigner oder Ingenieure. Programme dieser Art verfügen über zahlreiche funktionelle Optionen und erlauben effektive Optimierungsmaßnahmen, sind aber auch durch einen äußerst komplexen Einstieg geprägt.

Komponente Prozesskammer

In der Prozesskammer läuft der eigentliche Modellierungs- bzw. Herstellungsprozess ab. Neben der Bauplattform, auf dem das zu konstruierende Modell positioniert wird, befinden sich in dieser Kammer zudem auch der Polymerbehälter für die Materialausgabe, das Beschichtungssystem sowie die Niveaukontrolle. Das Steuersystem fungiert innerhalb dieser Prozesskammer als Controllingeinheit und überwacht die einzelnen Stufen und die jeweils involvierten Komponenten während der Herstellung eines Modells im Kunststoffbad. So wird permanent die Scannersteuerung, die Bewegung der Plattform,die jeweilige Schichtstärke sowie das Funktionieren des Beschichtungssystems und die Einrichtung für die Niveaukontrolle

Bei der klassischen Stereolithografie handelt es sich um ein zweistufiges Verfahren. Die erste Stufe beinhaltet die eigentliche Fertigung des Werkstücks, bevor in der zweiten Stufe dann das Härten folgt. Zuvor muss das Werkstück allerdings erst einmal mittels einer entsprechenden 3D-CAD-Software am PC erstellt und danach in ein kompatibles STL-Format konvertiert werden. Anschließend erfolgt dann die Konzeptionierung einer tragfähigen Stützkonstruktion. Diese ist notwendig, damit auch bei jedem Modell eine Fertigung mit Hohlräumen und Überhängen realisiert werden kann. Außerdem ist das vom UV-Laser gehärtete Photopolymer vergleichsweise weich. Des Weiteren müssen während des Verfahrens eben die jeweiligen Formelemente, wie zum Beispiel Überhänge, sicher fixiert werden. Im nächsten Schritt muss das digitalisierte Werkstück in einzelne,horizontal angelegte Querschnitte zerlegt werden. Typischerweise liegt die Dicke zwischen 0,05 mm und 0,25 mm.

Verfahrenstechnisch härtet bei der Stereolithographie der Laser einen lichtaushärtenden Kunststoff (Photopolymer) aus. Dieser Vorgang wird in einem, mit den Basismonomeren des photosensitiven bzw. lichtempfindlichen Kunststoffes befüllten Bad, realisiert. Immer wenn ein Schritt vollkommen abgeschlossen ist, wird das jeweilige Werkstück um wenige Millimeter tiefer in die Flüssigkeit abgesenkt. Ein Raket (Wischer) verteilt dann den flüssigen Kunststoff gleichmäßig über dem entsprechenden Teil. Anschließend fährt eben ein lichtaushärtender UV-Laser auf der neu erzeugten Schicht über die auszuhärtenden Flächen. Gesteuert wird der Laser dabei über bewegliche Spiegel, die von einem Computer geleitet werden. Ist das Aushärten einer Schicht abgeschlossen, wird das Werkstück dann wieder abgesenkt und die ganze Prozedur startet wieder von vorne. So entsteht schließlich schrittweise ein dreidimensionales Modell. Dieses wird nach Beendigung des gesamten Bauprozess mittels der Plattform aus dem Behältnis heraus gefahren. Erst wenn dann das nicht gehärtete Harz abgetropft ist, darf das Modell von der Plattform genommen und von der Stützkonstruktion befreit werden. Anschließend wird das Modell mit Lösungsmitteln abgewaschen, bevor es schlussendlich unter UV-Licht komplett ausgehärtet wird.

Unterverfahren Mikrostereolithographie

Da das klassische Stereolithographie Verfahren dabei vorzugsweise in der Makrotechnik agiert, ist mit der Mikrostereolithographie ein Verfahren für Mikroteile entwickelt worden. Die Querschnittsdicke lässt sich im Rahmen der Mikrostereolithographie bis auf 0,001 mm reduzieren. Bei der Mikrostereolithografie sind im Gegensatz zur Stereolithographie zudem keine Stützstrukturen erforderlich. Oftmals entfällt auch das Nachhärten. Die Mikrostereolithographie kann insbesondere bei der Produktion von kleinen und mittleren Serien entscheidende Vorteile generieren. Auch bei der Fertigung von individuellen Teilen kann dieses Verfahren punkten. Daher wird es vorzugsweise auch in der Medizin für die Herstellung patientenspezifischer Teile eingesetzt.

Unterverfahren Soliderverfahren

Auch das Soliderverfahren bzw. Solid-Ground-Curling-Verfahren (SGC-Verfahren) beruht auf den Grundprinzipien der Photopolymerisation. Dabei belichtet eine UV-Lampe über eine Maske die jeweiligen Flächen bzw. Punkte. Bei diesem Verfahren wird jede durch den Laser lichtgehärtete Schicht sofort mit Wachs ummantelt. Ist der jeweilige Formbildungsprozess abgeschlossen, wird dieser dann wieder herausgelöst. Diese Technik wird angewandt, um die erzeugten Formteilbereiche nachhaltig zu stabilisieren. Daher kann in diesem Fall auf eine Stützkonstruktion verzichtet werden. Außerdem besteht so die Möglichkeit, ohne Probleme zueinander bewegliche sowie ineinander verschachtelte Formteilelemente zu fertigen.

Unterverfahren LSI-Verfahren

Das LSI-Verfahren (Light- Sculpforming- Inc.) erlaubt es, dass ein paralleles UV-Licht die Photopolymer-Oberfläche belichtet. Da somit eine ganze Schicht gleichzeitig ausgehärtet werden kann, entfällt der aufwändige Prozess der vergleichsweise komplizierten X-Y-Steuerung des Laserstrahls. Um dieses Unterverfahren der Stereolithographie einzusetzen, muss allerdings für jede einzelne Schicht des zu produzierenden Formteils die phototechnische Fertigung einer Maske erfolgen. Erzeugt werden kann diese Maske nach dem Funktionsprinzip eines Photokopierers. Als Basis dienen diesem Unterverfahren der Stereolithografie dabei die CAD-Geometriedaten.

Unterverfahren Soup-Verfahren

Im Rahmen der Stereolithographie ist auch das so bezeichnete Soup-Verfahren (Solid Optical UV- Plotter) beachtenswert. Dieses Verfahren arbeitet dabei mit rein punktueller Belichtung, wobei ein X-Y-Plotter den Laserstrahl führt. Zwar geht dies zu Lasten der Schnelligkeit, dafür kann aber ein anderer Vorteil geltend gemacht werden. Denn der Laserstrahl trifft bei diesem Verfahren stets senkrecht auf das Photopolymer. Durch die exakte Strahlenauslenkung müssen dann keinerlei zusätzliche Maßnahmen im Hinblick auf eine etwaige Nachfokussierung ergriffen werden.

Unterverfahren Colamm-Verfahren

Das Colamm-Verfahren (hler: Computer Operated Laser Active Modelling Machine) wurde vom Unternehmen Mitsu entwickelt. Gegenüber dem klassischen Stereolithografie Verfahren kommt es dabei zur Anwendung einer verfahrungstechnischen Variante. So wird das Harz mit dem per Scannerspiegel gesteuerten Laser direkt von unten durch eine UV- transmittierende Trennscheibe hindurch belichtet. Dadurch benötigt das jeweilige Bauteil weitgehend keine extra anzufertigenden Stützkonstruktionen.

Dank der Vorteile bzw. Eigenschaften der Stereolithographie ist das generative Fertigungsverfahren respektive additive Druck Verfahren für zahlreiche Anwendungsgebiete prädestiniert. So eignen sich die Stereolithografie hervorragend für den Druck von Ausstellungs- sowie Anschauungsmodellen. Aufgrund der hohen Detailauflösung und der erstklassigen Oberflächeneigenschaften können dabei gerade Prototypen in explizit hoher Genauigkeit erstellt werden, bei denen sich sowohl die Technik als auch das Design optimal beurteilen lassen. Vorzugsweise sollte beim Prototyping respektive beim Modelling auf transparentes Material zurückgegriffen werden, da es einen Blick auf das Innenleben des jeweiligen Modells freigibt. Ebenso gerne wird die Stereolithographie aufgrund der detailreichen Darstellung sowie der hohen Genauigkeit für den Druck von Funktionsmodellen eingesetzt. Des Weiteren lassen sich mit der Stereolithographie im Rahmen des Prototyping sowie Modelling insbesondere kleine und filigrane Teile, Bauteile mit hohen Präzisionsanforderungen sowie auch Urmodelle zum Abformen fertigen. Viele Branchen greifen mittlerweile auf das Stereolithografie Verfahren zurück, um die prinzipielle Veranschaulichung von Produkten, Programmen bzw. Serien und wichtigen Bauteilen zu optimieren. Insbesondere in der Fahrzeug- und Automobilbranche, im Maschinen- und Werkzeugbau, in der Elektrotechnik sowie in der Medizintechnik und auch im Marketing wird verstärkt auf eben die Stereolihografie zurückgegriffen.

Stereolithographie in der Medizin

In der Medizin bzw. in der Medizintechnik gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten rund um das Modelling und Prototyping für die mittels des Stereolithografie Verfahrens hergestellten dreidimensionalen Modelle, wobei in der Regel Ultraschalluntersuchungen, die Computertomographie und die Kernspintornographie die benötigten Ausgangsdaten liefert. Einerseits können dank dieser 3D Druck Technik Implantate und Prothesen exakt angepasst und komplizierte bzw. komplexe Operationen im Detail geplant werden. Außerdem vereinfacht das Stereolithografie Verfahren eine Diagnose von inneren Verletzungen, Abläufen sowie Gegebenheiten. Auch in der plastischen Chirurgie kommt die Stereolithographie regelmäßig zum Einsatz. Als bevorzugtes Material werden in der Medizin bzw. Medizintechnik bevorzugt Epoxidharze verwendet, da diese ein vergleichsweise geringes Verzugsverhalten und eine exakte Modellierbarkeit bieten. Zudem erlaubt dieses Material eine optimale Fertigung von dünnen Wandungen sowie Hohlräumen.

Stereolithographie in der Fahrzeug- und Automobilbranche

In dieser Branche wird das additive Stereolithografie Druckverfahren in erster Linie zur Herstellung von Konzept-und Geometriemodellen sowie für Urmodelle verwendet, da anhand dieser sowohl Dimensionen als auch Konstruktion und Montage von Motorteilen oder sonstigen Elementen hervorragend beurteilt werden können. Außerdem lassen sich anhand der Urmodelle Kleinserien mit äußerst komplexen Geometrien herstellen. Um die Urmodelle letztendlich zu verfielfältigen, wird häufig auf das Fertigungsverfahren des Vakuumgießen zurückgegriffen.

Stereolithographie in der Elektrotechnik sowie im Maschinen- und Werkzeugbau

Auch im Maschinenbau wird das Stereolithografie Verfahren vorzugsweise für das Erstellen von Konzept- und Geometriemodellen genutzt. Da gerade im Maschinen- und Werkzeugbau sowie in der Elektrotechnik Bauteile in der Regel ungemein komplex konstruiert sind, lassen sich Mängel und Schwachstellen vor allem in funktioneller Hinsicht leichter identifizieren und dadurch stets zeitnah abändern. Zudem werden 3D-Modelle in den Bereichen Rapid Manufacturing sowie Rapid Prototyping für das Erstellen von Prototypen und Bauteilen herangezogen, die Funktionstests oder sogar erste Markttests durchlaufen. Auch Urmodelle, die später per Vakuumguss verfielfältigt werden, stehen hier im Fokus.

Stereolithographie im Marketing

Auch im Marketing hat die Stereolithographie mittlerweile enorm an Bedeutung im Hinblick auf Modelling und Prototyping gewonnen. So nutzt die Branche das Stereolithografie Verfahren inzwischen zur Fertigung von visuellen Prototypen sowie von Designmodellen. Modelle dieser Art erhöhen zum Beispiel bei einer Marketingpräsentation nicht zuletzt dank der Oberflächengüte die Veranschaulichung von Produkten und auch Konzepten.

Im Vergleich zu sämtlichen auf dem Markt verfügbaren Technologien runf um das Lasersintern, das Vakuumgießen stellt die Stereolithographie genau das Rapid Prototyping Verfahren dar, das aktuell als das exakteste gilt. Dabei wird die Genauigkeit lediglich durch die Maschinen an sich und nicht etwa durch vorhandene physikalische Grenzen beschränkt. Als exemplarisches Beispiel für diesen Umstand können hier die minimalem darstellbaren Stegbreiten angeführt werden, die im Wesentlichen eine reine Funktion des Laserstrahldurchmessers sind. Demgegenüber sind verfahrensbedingt der Feinheit der Abstufungen keinerlei Grenzen gesetzt. Außerdem ist es grundsätzlich stets möglich, die Berandungen der jeweiligen Flächen in die gewünschte Richtung mittels entsprechender Steuerungs- und Belichtungsstrategien anzudeuten. Dies führt letztendlich dann zu einer gleichmäßigen Modellierung.

Einen weiteren Vorteil zieht die Stereolithografie aus der Tatsache, dass sie nicht nur das Anlegen bzw. das Erstellen interner Hohlräume ermöglicht, sondern gleichzeitig auch deren völlige Entleerung ermöglicht. Um diese Entleerung zu gewährleisten, muss eine entsprechende Drainageöffnung vorhanden sein. Wichtig ist dabei, dass diese Öffnung wesentlich kleiner als der Hohlraumquerschnitt an sich ausfällt. Da die Materialien als weiterer Vorteil transparent sind, erlauben diese beiden Faktoren eine visuelle Bewertung von internen Hohlräumen.

Komplexe Modelle oder Varianten mit gegenüber dem Bauraum größeren Abmessungen lassen sich jederzeit aus einzelnen Teilmodellen zusammenfügen. Dazu werden als Kleber die gleichen photosensiblen Harze sowie zum lokalen Aushärten die identischen UV-Strahlquellen genutzt. Beim Gesamtmodell sind später die entsprechenden Trennstellen weder visuell noch im Hinblick auf die mechanisch-technologischen Eigenschaften zu bemerken. Auch eine Nachbeabeitung der Modelle ist zumindest in einem gewissen Umfang möglich. So können die jeweiligen Modelle lackiert, spanend bearbeitet oder durch Schleifen und Sandstrahlen entsprechend nachbearbeitet werden. Im Gegensatz zu anderen Verfahren kann zudem das innerhalb eines Prozesses bzw. eines Verfahrens nicht ausgehärtete Monomer wieder verwendet werden. Auch die Müllentsorgung stellt sich vereinfacht dar, denn vollständig polymerisiertes Harz kann vom Anwender wie normaler Hausmüll behandelt werden.