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Stereolithographie

Die Stereolithographie (STL oder SLA) ist das älteste bzw. am längsten industriell  genutzte Verfahren aller 3D-Drucktechniken.  Entwickelt wurde die Stereolithographie bereits in den 80er Jahren durch das Unternehmen 3D Systems und dessen Gründer Charles Hull.

Verfahrensprinzip

Stereolithographie bastiert auf dem Prinzip einer schichtweisen Polymerisation
(Photopolymerisation). Hierbei verfestigen sich flüssige Monomere durch Bestrahlung mit Licht (UV-Strahlen) oder Laser punktuell, also genau an den Stellen, an denen das flüssige Ausgangsmaterial der Bestrahlung ausgesetzt ist.

Verfahrensvarianten der Stereolithographie

Die erwähnte Polymerisation kann durch mehrere Beleuchtungsarten und somit Verfahrensvarianten in Gang gesetzt werden. Nachfolgend sollen nur die genannt werden, die bereits am Markt etabliert sind (Auszug einiger Verfahrensvariationen der Stereolithographie):

  1. Die laserbasierte Stereolithographie:
    Diese Verfahrensvariante ist die älteste aller Stereolithographie-Verfahren und somit wahrscheinlich auch die (noch) am weitesten verbreitetste weltweit. Bereits seit 1987 wird die Laser-Stereolithographie durch die Firma 3D-Systems kommerziell vertrieben.
    In einem Bad aus flüssigem Harz (Monomeren / flüssige Photomonomere) befindest sich eine nach unten absenkbare Ebene (Z-Ebene), die sog. Bauplattform. Auf dieser Bauplattform erfolgt die Erstellung des 3D-Drucks/-Objekts. Zu Beginn des Druckvorgangs befindet sich die Plattform nur ganz knapp unterhalb der Harzoberfläche, sodass sie nur ganz leicht vom flüssigen Harz bedreckt wird. Der Abstand zwischen Harzoberfläche und Bauplattform entspricht dabei genau der Höhe einer einzelnen Druckschicht. Je kleiner dieser Abstand gewählt wird, desto genauer und feiner werden die Drucke. Ein Laserstrahl, der oft über bewegliche Spiegel sein Ziel findet, wirds anschließend genau an die Stellen projiziert (X/Y-Ebene), an denen sich die flüssigen Monomere verfestigen sollen. Sobald eine Schicht fertig belichtet wurde, wird die Bauplattform wieder um exakt die Höhe einer Einzelschicht nach unten abgesenkt, wodruch sie erneut mit flüssigem Harz bedeckt wird und der Laser beginnt seine Arbeit von vorne. Diese Schritte wiederholen sich solange, bis das gewünschte 3D-Modell erzeugt wurde. Wenn die letzte Schicht erstellt wurde, fährt die Bauplattform soweit nach oben, dass das 3D-Objekt vollständig aus dem Harzbad herausragt und das überschüssige Harz ablaufen und abtropfen kann.
    Das so entstandene Objekt hat allerdings noch nicht seine endgültige Festigkeit erreicht, sondern ist nur soweit erhärtet, dass es gefahrlos aus der SL-Maschine entnommen werden kann. Um das 3D-Modell vollständig auszuhärten muss es nach dem Druckvorgang anschließend noch in einem UV-Ofen für mehrere Stunden nachpolymerisieren.
    Weil laserbasierte Stereolithographie in einem flüssigen Harzbad baut, können überstehende Teile des 3D-Objekts nur mit Hilfe von sog. Stützkonstruktionen überhaupt erst geschaffen werden werden. Ohne Stüzen würden die überstehenden Modellteile, die noch nicht in Verbindung mit dem bisher gebauten Objekt stehen, auf den Boden des Harzbades sinken. Ein Bau wäre somit unmöglich. Die Stützkonstruktionen werden bei dieser Form der Stereolithographie aus dem selben Material wie das 3D-Objekt gefertigt und müssen vor Druckbeginn in der Produktions-Datei (Rapid Prototyping-Software) mit angelegt werden. Das Entfernen der Stützen erfolgt mechanisch und muss äußerst vorsichtig durchgeführt werden, um das 3D-Objekt nicht zu beschädigen.
  2. Maskenbasierte Stereolithographie:
    Anstelle eines Laserstrahls nutzt diese Verfahrensvariante der Stereolithographie eine UV-Lampe oder einen Beamer zur Belichtung des flüssigen Materials. Während bei der laserbasierten Stereolithographie punktuell belichtet wird, härtet die Masken-Stereolithographie in einem Druchgang eine komplette Schicht aus. Auch hierbei gibt es mehrere Wege die Belichtung der Einzelschichten herbeizuführen. Zum einen wird eine Glasplatte elektromagnetisch geladen (das Prinzip ist ähnlich zu den gewöhnlichen Laser-Druckern), sodass an den Stellen, an denen sich keine Verfestigung des Materials einstellen soll, eine Art lichtundruchlässiger Toner anhaftet. Anschließend wird mit einer UV-Lampe belichetet. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis das gewünschte Objekt entstanden ist. Überstehende Objektteile werden mit Hilfe von Stützkonstruktionen und Stützmaterial (Wachs) bewerkstelligt. Dieses Verfahren ist auch als „Solid-Verfahren“ oder „Cubital-Verfahren“ bekannt; benannt nach der israelischen Firma Cubital Ltd. in den 1990er Jahren.
    Zum anderen besteht die Möglichkeit die physische Erstellung einer Maske zu umgehen, indem mittels eines Beamers nur der Masekenausschnitt auf das flüssige Material projiert wird, der belichtet werden soll (direktes Projizieren). Merkmal dieser Art der Belichtung ist die „köpfüber“-Bauweise. Dabei wandert die Bauplattform nicht von oben nach unten sondern umgekehrt von unten nach oben. Das 3D-Modell wird also „auf dem Kopf“ gestellt gebaut.
    Beide Masken-Verfahren haben den großen Vorteil, dass sie das 3D-Objekt bereits vollständig aushärten, sodass keine Nachbelichtung mehr notwendig ist.
  3. PolyJet-Verfahren
    Eine weitere Art der Stereolithographie stellt das von der Firma Objet (ebenfalls aus Israel stammend) im Jahr 2000 auf den Markt gebrachte PolyJet-Verfahren dar. Es nutzt für den Druck die seit Jahrzehnten ausgereifte und etablierte Technologie piezoelektrischer Inkjet-Druckköpfe. Während eines Druckvorgangs drucken mehrere parallel angeordnete Druckdüsen die flüssigen Monomere (Baumaterial) sowie gleichzeitig das benötigte Stützmaterial in einem anderen Material. Neben dem Druckkopf sind UV-Lampen angebracht, die das flüssige Baumaterial bereits kurz nach deren Ausstoß aus der Druckdüse erhärten, sodass ein dreidimensionaler Druck möglich wird. Auch hier härtet der Baustoff bereits vollständig aus. Mit den neuesten Objet Maschinen (seit 2012 gehört Objet zum 3D-Druck-Riesen Stratasys) können sogar mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.B. hart / weich bzw. elastisch) gleichzeitig in einem Druckdurchgang verarbeitet werden.

Stärken und Schwächen

Wie alle anderen Verfahren, hat Stereolithographie auch Stärken und Schwächen. Welche das sind, wird in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet.

Stärken Schwächen
Genauigkeit (noch) geringe Materialvielfalt
sehr geringe Schichtstärken Stützkonstrukionen
Transparente Materialien möglich Entfernen der Stützen notwendig

Herstellungsprozess Video

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