Stereolithographie (SLA): alles, was Sie wissen müssen

Die Stereolithographie gilt als die Technologie hinter dem 3D-Druck. Die erste Ausrüstung wurde 1984 von Charles Hull patentiert und die erste kommerzielle Maschine wurde 1988 von 3D Systems entwickelt. Heute erfahren wir mehr über den Stereolithographie-Prozess, um zu verstehen, worum es geht.

Die Stereolithographie, auch SLA (Stereolithography Apparatus) genannt, nutzt das Prinzip der Photopolymerisation zur Herstellung von 3D-Modellen aus UV-empfindlichem Harz. Es sollte nicht mit STL-Dateien verwechselt werden, bei denen es sich um 3D-Druckdateien handelt. Die Verfestigung wird durch den schichtweisen Durchgang eines Lasers verursacht. Im Vergleich zu bestehenden 3D-Drucktechnologien können damit eine der besten gedruckten Oberflächen erzielt werden.

Aus historischer Sicht wurde das erste Patent 1984 von Chuck Hull angemeldet und 1988 von 3D Systems kommerzialisiert. Wenige Tage vor den Amerikanern gründete ein Trio französischer Forscher, bestehend aus Jean-Claude André, Olivier de Witte und Alain le Méhauté konzipierte im Auftrag der Alcatel-Gruppe ein ähnliches Patent.

SLA-3D-Drucker verwenden ein flüssiges Druckmaterial und eine UV-Schutzhülle (normalerweise orange, grün, rot oder gelb). Die Stereolithographie bietet im Vergleich zu anderen Drucktechnologien ein relativ geringes Produktionsvolumen. Einige Maschinen wie der Mammoth 3D-Drucker können jedoch Teile mit einer Größe von mehr als 2 m herstellen.

So funktioniert der stereolithografische 3D-Druck

Wie bei anderen 3D-Drucktechnologien ist eine digitale 3D-Datei erforderlich, die über CAD-Software (z. B. SolidWorks, Sculpt oder SelfCAD) bezogen werden kann. Diese Dateien (normalerweise STL-Dateien) werden an einen Slicer gesendet, der das Modell zum Drucken in dünne Schichten schneidet. Die Anweisungen werden dann an den 3D-Drucker gesendet.

Stereolithographiemaschinen enthalten eine Harzschale, eine bewegliche Plattform (Z-Achse), ein Schabersystem (X-Achse), einen UV-Laser, eine Fokussieroptik und ein Spiegelgalvanometer (X- und Y-Achse).

Der Laserstrahl härtet das flüssige Harz entsprechend dem an den Drucker gelieferten digitalen 3D-Modell aus. Nachdem sich eine Schicht verfestigt hat, senkt sich die Plattform um eine Ebene ab. Anschließend wird der nächste Abschnitt verfestigt. Es sind so viele Druckzyklen erforderlich, wie Schichten erforderlich sind, um das vollständige Volumen des Stücks zu erhalten.

Bei einigen SLA-3D-Druckermodellen (z. B. denen von Formlabs) erfolgt die Herstellung des Teils kopfüber. Die Plattform wird in die Harzwanne eingetaucht, während der Laser von unten nach oben arbeitet.

Nachbearbeitung

Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, ist ein Kammerreinigungsschritt mit einem Lösungsmittel (normalerweise Isopropylalkohol, auch Isopropanol genannt) erforderlich, um überschüssiges, nicht verfestigtes Harz zu entfernen. Im Gegensatz zu anderen Technologien wie Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM) und PolyJet 3D-Druck ist in der Regel eine zusätzliche UV-Behandlung erforderlich, um die Photopolymerisation abzuschließen und die Festigkeit des Materials zu optimieren.

Wie bei der Fused Deposition-Technologie werden beim SLA beim Drucken komplexer Formen Stützstrukturen eingesetzt. Genau wie Gerüste dienen sie als Stütze für schwingende Teile. Anschließend werden sie bei der Nachbearbeitung entfernt.

Die Stereolithographie-Technologie bietet eine leicht glasige Oberflächenbeschaffenheit, ist jedoch in der Regel den FDM- oder SLS-Verfahren (für Schichten gleicher Dicke) überlegen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass die verschiedenen Druckschichten kaum sichtbar sind. Allerdings sind in SLA nur wenige Farben verfügbar.

Der SLA-3D-Druck hat zahlreiche Technologien hervorgebracht

Nach dem Scheitern der ersten Patente im Zusammenhang mit der Stereolithographie haben zahlreiche Akteure der Branche daran gearbeitet, diese Technologie zu verbessern. Als Beispiel kann die DLP-Technologie genannt werden, die einen Videoprojektor anstelle eines Lasers verwendet, um eine größere Fläche mit höherer Druckgeschwindigkeit abzudecken. Das französische Unternehmen Prodways hat außerdem eine Technik namens MovingLight entwickelt, die mithilfe eines Videoprojektors die Produktion von Teilen weiter beschleunigt. Das britische Unternehmen Photocentric nutzt stattdessen einen LCD-Bildschirm als UV-Lichtquelle.

Zuletzt stellte der Hersteller Carbon3D sein CLIP-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production) vor, das die Sauerstoffmenge während der Photopolymerisationsreaktion steuert. Dadurch wird die Druckgeschwindigkeit um das 25- bis 100-fache erhöht. Eine weitere interessante Initiative: ONO sammelte 2,3 Millionen US-Dollar für ein System, das das Licht eines Smartphones nutzt, um Harz zu verfestigen.

Zu den führenden Herstellern von SLA-3D-Druckern zählen natürlich 3D Systems, der Begründer der Technologie selbst, aber auch neue Player wie DWSlab, B9Creator oder Formlabs. Das in Boston ansässige Startup Formlabs startete 2011 eine Crowdfunding-Kampagne auf Kickstarter und sammelte die bemerkenswerte Summe von 3 Millionen US-Dollar für den Form 1, den ersten Tisch-SLA-3D-Drucker. Letzteres wurde für rund 5.000 US-Dollar vermarktet.

Der Preis für Stereolithographie-3D-Drucker variiert zwischen 1.000 Euro für kostengünstige Versionen und mehreren Zehntausend Euro für professionelle Maschinen mit großem Produktionsvolumen.

Anwendungen der Stereolithographie

SLA wird aufgrund seiner Schnelligkeit hauptsächlich für das Prototyping in allen Bereichen der Industrie eingesetzt, je nach Qualität des Druckers ist es jedoch auch möglich, sofort funktionsfähige Teile zu erhalten. Es wird auch zur Herstellung von Formen oder Schmiedestücken verwendet, insbesondere für die Schmuck- und Zahnmedizinbranche.

Feinguss ist ein Beispiel für ein indirektes Herstellungsverfahren mittels Stereolithographie. Diese uralte Technik nutzt nun den 3D-Druck, um genaue Nachbildungen des Endprodukts (auch Schmuckform genannt) aus gießbarem Wachs herzustellen. Sobald die Form erstellt wurde, wird sie in feuerfestes Material eingewickelt, wodurch die Form entsteht. Anschließend wird das geschmolzene Metall in die Form gegossen, um das Wachs zu ersetzen. Sobald die Form entfernt ist, kann das Metallteil verwendet werden.

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