Stereolithography in Action

Stereolithografie (SLA) 3D-Druck: Der ultimative Leitfaden

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Stereolithographie (SLA) ist eine Technologie auf dem Gebiet der additiven Fertigung (die gemeinhin auch als 3D-Druck bezeichnet wird), bei der flüssige Materialien durch Photopolymerisation, d.h. selektives Aushärten mittels einer Lichtquelle, schichtweise in feste Teile umgewandelt werden. SLA kommt häufig bei der Herstellung von Modellen, Prototypen, Mustern und Produktionsteilen in zahlreichen verschiedenen Branchen zum Einsatz, vom Ingenieurwesen über Produktdesign, Fertigung, Zahntechnik, Schmuckherstellung und Modellierung bis hin zum Bildungswesen.

Dieser Leitfaden befasst sich eingehend mit den verschiedenen SLA-Systemen sowie mit den entsprechenden Materialien und ihren Eigenschaften und vergleicht SLA mit anderen auf dem Markt erhältlichen Technologien.

Inhaltsverzeichnis:

  1. SLA-Systeme
  2. Materialien
  3. Warum Desktop SLA
  4. Druckverfahren
  5. Einstieg in SLA 3D-Druck

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Historischer Überblick

Erste Versuche mit dem SLA-Verfahren wurden Anfang der 1970er Jahre unternommen, als der japanische Forscher Dr. Hideo Kodama den modernen Schichtansatz der Stereolithographie erfand, bei dem lichtempfindliche Polymere mit Ultraviolettlicht (UV-Licht) ausgehärtet werden. Der Begriff Stereolithographie selbst wurde von Charles (Chuck) W. Hull geprägt, der die Technologie 1986 zum Patent anmeldete und zu ihrer Kommerzialisierung das Unternehmen 3D Systems gründete. Hull beschrieb die Methode als Anfertigung von 3D-Objekten durch sukzessives Drucken dünner Schichten eines mit UV-Licht aushärtbaren Materials, wobei der Druckvorgang von unten nach oben erfolgt. Später wurde die Definition auf alle Materialien ausgedehnt, die zur Verfestigung oder Änderung ihres physikalischen Zustands in der Lage sind.

Heute werden mit den Begriffen 3D-Druck und additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) zahlreiche verschiedene Prozesse beschrieben, die sich im Hinblick auf Schichtungsmethode, Materialien und Maschinentechnik voneinander unterscheiden.

Als die Patente Ende der 2000er Jahre abliefen, wurde die Technologie durch Einführung des Desktop 3D-Drucks immer breiteren Anwenderkreisen zugänglich gemacht. Dabei kam zunächst das Fused Deposition Modelling (FDM, zu Deutsch „Strangablegeverfahren“) auf Desktop-Plattformen zum Einsatz. Zwar trug diese erschwingliche Extrusionstechnik zur zunehmenden Verbreitung des 3D-Drucks bei, jedoch hat die Qualität der gefertigten Teile den Einsatz dieser Maschinen begrenzt, da für professionelle Anwendungszwecke wiederholbare Ergebnisse hoher Präzision unerlässlich sind.

Prototypen des Form 1, des ersten Desktop-SLA-3D-Druckers.
Prototypen des Form 1, des ersten Desktop SLA 3D-Druckers.

Schon bald nach dem FDM kam die SLA auf dem Desktop zum Einsatz, nachdem Formlabs die Technologie 2011 entsprechend adaptiert hatte. SLA versprach hochauflösende 3D-Druckergebnisse, die zuvor nur von industriellen Systemen erzielt worden waren, im Rahmen einer weitaus kleineren und kostengünstigeren Konfiguration und mit einer breiten Palette geeigneter Druckmaterialien. Diese Eigenschaften machten den 3D-Druck für eine Vielzahl verschiedener Spezialanwendungen zugänglich, z.B. im Bereich des Ingenieurwesens, des Produktdesigns und der Fertigung sowie in der Dental- und Schmuckbranche.

SLA-Systeme

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


Hier können Sie sich die Funktionsweise der Stereolithographie anschauen..

„Right-Side Up“-SLA-Systeme

Das Herzstück von „Right-Side Up“-SLA-Maschinen (d.h. Maschinen die das Teil „richtig herum“ drucken) ist ein großer Tank, in dem sich flüssiges Photopolymer (Kunstharz) und die Konstruktionsplattform befinden. Der UV-Laserstrahl wird auf die Oberfläche des Kunstharzes gerichtet und zeichnet einen Querschnitt des 3D-Modells nach. Die Konstruktionsplattform wird dann jeweils um die Dicke einer einzelnen Schicht abgesenkt und eine mit Kunstharz gefüllte Rakel wischt über das Behältnis, um es mit frischem Material zu beschichten. Bei dem Prozess werden nach und nach Schichten übereinander gelagert, bis das Teil fertig ist.

Schematische Darstellung eines „Right-Side Up“-SLA-Systems.
Schematische Darstellung eines „Right-Side Up“-SLA-Systems.

Diese Methode kommt hauptsächlich in großen Industrieanlagen zum Einsatz und war vor der Einführung von Desktop-Systemen der Standardansatz im Bereich der Stereolithographie. Zu den Vorteilen dieser Technologie gehört u. a. die Fähigkeit, einige der größten Bauvolumina im 3D-Druck zu erzielen, sowie die geringe Krafteinwirkung auf die Teile während des Druckvorgangs, was wiederum hohe Detailtreue und Präzision ermöglicht.

Der erhebliche Einrichtungsaufwand, die hohen Wartungsanforderungen und das umfangreiche Materialvolumen der „Right-Side Up“-SLA-Systeme erfordern beträchtliche Erstinvestitionen und sind mit hohen Betriebskosten verbunden. Der gesamte Baubereich muss mit Kunstharz gefüllt werden, was durchaus bedeuten kann, dass 10 bis 100 Liter oder mehr Rohmaterial benötigt werden. Der damit verbundene Zeitaufwand für Handhabung, Pflege, Filterung und Austausch von Materialien ist erheblich. Diese Maschinen erfordern ein Höchstmaß an Stabilität sowie präzise Nivellierung, und jede Abweichung kann dazu führen, dass das Druckteil bei der erneuten Beschichtung umkippt und der Druck fehlschlägt.

„Upside-Down“- (invertierte) SLA-Systeme

Wie der Name bereits andeutet, wird das Druckverfahren bei der invertierten Stereolithographie „auf den Kopf gestellt“. Bei dieser Methode kommt ein Tank mit durchsichtigem Boden und nicht haftender Oberfläche zum Einsatz. Sie dient als Substrat, an dem das flüssige Kunstharz aushärtet. Auf diese Weise können neu gebildete Schichten behutsam abgelöst werden. Während des Druckvorgangs wird eine Konstruktionsplattform nach und nach in einen Kunstharztank abgesenkt. Der dabei frei gelassene Platz entspricht jeweils der Schichthöhe zwischen der Konstruktionsplattform (bzw. der letzten fertiggestellten Schicht) und dem Tankboden.

Schematische Darstellung eines „Upside-Down“- (invertierten) SLA-Systems.
Schematische Darstellung eines „Upside-Down“- (invertierten) SLA-Systems

Der UV-Laser ist auf zwei Spiegelgalvanometer gerichtet, die das Licht zu den richtigen Koordinaten auf einer Reihe von Spiegeln weiterleiten, wobei das Licht durch den Boden des Behältnisses nach oben fokussiert wird und eine Schicht des Photopolymerharzes am Boden des Tanks aushärtet. Durch kombinierte vertikale Bewegung der Konstruktionsplattform- und horizontale Bewegung des Tanks wird die ausgehärtete Schicht dann vom Boden des Tanks gelöst, und die Konstruktionsplattform bewegt sich nach oben, um unter sich frisches Kunstharz nachfließen zu lassen. Der Vorgang wiederholt sich, bis das Druckteil fertiggestellt ist. Bei fortschrittlicheren Systemen wird der Tank beheizt, um für kontrollierte Umgebungsbedingungen zu sorgen, und ein Wischer läuft im Tank zwischen den Schichten hin und her, um das Kunstharz zu zirkulieren und teilweise ausgehärtete Kunstharzstücke zu entfernen.

Ein Vorteil des „Upside-Down“-Konzepts besteht darin, dass das Bauvolumen das Tankvolumen erheblich übersteigen kann, da die Maschine nur so viel Material benötigt, wie für das kontinuierliche Bedecken des Behälterbodens mit Flüssigkeit erforderlich ist. Wartung, Reinigung und Materialaustausch werden auf diese Weise generell vereinfacht. Außerdem kann bei geringerem Kostenaufwand mit kleineren Maschinen gearbeitet werden, was wiederum eine Voraussetzung für die Desktop-SLA ist.

Die invertierte SLA unterliegt aber auch gewissen Beschränkungen. Aufgrund der Schälkräfte, die auf das Druckteil einwirken, wenn es von der Tankoberfläche gelöst wird, ist das Bauvolumen begrenzt und größere Stützstrukturen sind erforderlich, um dafür zu sorgen, dass das Teil an der Konstruktionsplattform befestigt bleibt. Schälkräfte begrenzen auch den Einsatz flexiblerer Materialien (Shore-Härte unter ca. 70 A), weil die Stützstrukturen ebenfalls flexibel werden.

Wissenswertes über Stützstrukturen

Je nach Design der zu fertigenden Teile muss sowohl bei „Right-Side Up“- als auch bei invertierten SLA-Systemen in den meisten Fällen mit Stützstrukturen gearbeitet werden.

Bei „Right-Side Up“-Systemen halten diese Stützen das Druckteil an genau vorherbestimmten Positionen, so dass es rundherum stabilisiert ist und dem seitlichen Druck der harzgefüllten Rakel standhalten kann. Bei invertierten SLA-Systemen werden Überhangteile mit Stützen an der Konstruktionsplattform befestigt, um schwerkraftbedingtes Durchbiegen zu verhindern und neu geformte Abschnitte während des Abschälverfahrens intakt zu halten.

Bei beiden SLA-Systemen werden die Druckteile mit Stützstrukturen an der Konstruktionsplattform befestigt.
Bei beiden SLA-Systemen werden die Druckteile mit Stützstrukturen an der Konstruktionsplattform befestigt.

Die meisten Softwareprogramme erstellen Stützen automatisch während der Vorbereitung der 3D-Modelle, sie können aber auch manuell angepasst werden. Nach Abschluss des Druckvorgangs müssen diese Stützen manuell vom fertigen Produkt entfernt werden.

Die SLA-Systeme im Vergleich

Desktop-SLA: „Upside Down“ (invertiert) Industrielle SLA: „Right-Side Up“
Preis Beginnt bei $3500 $80,000-$1,000,000+
Druckvolumen Bis zu 145 x 145 x 175 mm Bis zu 1500 x 750 x 550 mm
Vorteile kostengünstig
benutzerfreundlich
geringer Wartungsaufwand
kleine Stellfläche
einfacher Materialwechsel
großes Bauvolumen
hohe Produktionsrate
umfangreiche Materialauswahl
Nachteile Durchschnittliches Bauvolumen kostspielige Maschinen
hoher Wartungsaufwand
Bediener erforderlich

Der Vergleich beruht auf Desktop-SLA-Druckern von Formlabs und industriellen SLA-Systemen von 3D Systems. .

Materialien

Während SLA-3D-Drucker die maschinellen Voraussetzungen bieten, sind es die Materialien, die die Stereolithographie in die Lage versetzen, ein breites Spektrum an funktionalen Teilen für verschiedenste Branchen zu fertigen. In diesem Abschnitt befassen wir uns mit den Abläufen bei der Photopolymerisation und dem dafür erforderlichen Rohmaterial, dem Kunstharz, von dessen einzigartigen Eigenschaften bis zu den verschiedenen Zusammensetzungen für spezifische Anwendungen.

Der Polymerisationsvorgang

Kunststoffe bestehen aus langen Kohlenstoffketten. Je kürzer die Kette, desto weniger fest oder viskos der Kunststoff. Kunstharz ist ein Kunststoff aus kurzen (bzw. kürzeren) Kohlenstoffketten, die sich aus 1 Kohlenstoff bis zu einigen Tausend Kohlenstoffen zusammensetzen. Es weist bereits alle Bestandteile des endgültigen Kunststoffes auf, ist jedoch noch nicht vollständig polymerisiert. Wenn das Kunstharz UV-Licht ausgesetzt wird, verbinden sich die Ketten zu weitaus längeren und damit steiferen Ketten. Haben genug Ketten auf diese Weise reagiert, ist das Ergebnis ein festes Teil.

Schritte des Polymerisationsvorgangs.
Schritte des Polymerisationsvorgangs.

Schauen wir uns diesen Vorgang noch genauer an. Die Monomer- und Oligomerketten im Kunstharz weisen an ihren Enden aktive Gruppen auf. Wird das Kunstharz UV-Licht ausgesetzt, spaltet sich das Photoinitiatormolekül in zwei Teile auf und aus der Verbindung, die es zusammenhält, werden zwei sehr reaktive Radikale. Diese Moleküle transferieren die reaktiven Radikale zu den aktiven Gruppe an den Monomer- und Oligomergruppen und bilden längere Ketten. Mit zunehmender Länge und Vernetzung der Ketten verfestigt sich das Kunstharz. Der gesamte Prozess vom flüssigen bis zum hoch polymerisierten festen Zustand findet innerhalb von einigen Millisekunden statt.

Eigenschaften von Kunstharzen und Kunststoffen

Verschiedene Kunstharze setzen sich aus unterschiedlichen Rückgraten und Seitengruppen, d.h. verschiedenen Kombinationen aus langen und kurzen Monomeren, Oligomeren, Photointiatoren und Additiven, zusammen. Dies ermöglicht einen besonders hohen Grad an Freiheit zur Bildung verschiedener Formulierungen mit einem breiten Spektrum an optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften, von transparent bis opak und gefärbt, flexibel bis starr und belastbar bis hitzebeständig.

Zusammensetzung von Photopolymer-Kunstharz

Komponente Aufgabe
Monomere and Oligomere Der Kern des Kunstharzes; Kohlenstoffketten, die die festen Teile bilden werden..
Photoinitiatore Moleküle, die bei UV-Lichtexposition reagieren und die Reaktion einleiten..
Additive Visuelle oder funktionale Zusätze, wie Pigmente oder Farbstoffe..

Isotropie im Vergleich zu Anisotropie

Aufgrund des Schichtkonzepts der 3D-Technologien sind Materialeigenschaften in vielen Fällen richtungsabhängig. Dieses Phänomen wird als Anisotropie bezeichnet. So kann ein 3D-gedrucktes Teil beispielweise in X-, Y- und Z-Richtung unterschiedliche Reißdehnungs- oder Steifigkeitswerte aufweisen.

Während des SLA-3D-Druckvorgangs gehen die Kunstharzkomponenten kovalente Bindungen ein. Dies bewirkt einen hohen Grad an lateraler Festigkeit, aber die Polymerisationsreaktion wird nicht bis zum Abschluss weitergeführt. Stattdessen wird der Druckvorgang so moduliert, dass die Schicht in einem semi-reaktiven Zustand verharrt, der als „grüner Zustand“ bezeichnet wird. Dieser grüne Zustand unterscheidet sich auf eine sehr wichtige Weise vom vollständig ausgehärteten Zustand: auf der Oberfläche befinden sich noch immer polymerisierbare Gruppen, mit denen nachfolgende Schichten kovalente Bindungen eingehen können.

Bei der Aushärtung der nächsten Schicht werden die Gruppen der vorherigen Schicht in die Polymerisationsreaktion einbezogen und gehen nicht nur lateral kovalente Bindungen ein, sondern auch mit der vorherigen Schicht. Das bedeutet, dass es auf Molekularebene im Hinblick auf chemische Bindungen kaum einen bis keinen Unterschied zwischen der Z-Achse und der XY-Ebene gibt. Jedes auf einer SLA-Maschine gedruckte zusammenhängende Teil ist isotrop.

Bei SLA-Druckteilen gibt es in Bezug auf chemische Bindungen keinen Unterschied zwischen der Z-Achse und der XY-Ebene. Jedes auf einer SLA-Maschine gedruckte zusammenhängende Teil ist ein zusammenhängendes Polymernetzwerk.
Bei SLA-Druckteilen gibt es in Bezug auf chemische Bindungen keinen Unterschied zwischen der Z-Achse und der XY-Ebene. Jedes auf einer SLA-Maschine gedruckte zusammenhängende Teil ist ein zusammenhängendes Polymernetzwerk.

Isotropie hat sowohl mechanische als auch optische Vorteile. Isotrope Teile eignen sich ideal für technisches Prototyping, da sie die Spannweite der Eigenschaften reflektieren, die mit gängigen Spritzguss-Thermoplasten verbunden sind, und weder unter Delamination noch unter Oberflächenporosität leiden. Dank des chemischen Bindungsvorgangs und des Fehlens sichtbarer Schichtlinien lassen sich optisch transparente Teile drucken.

Erfahren Sie mehr über Isotropie und sehen Sie sich Testergebnisse für SLA-3D-gedruckte Teile an.

Nachhärten

Nach Abschluss des Stereolithografievorgangs verbleiben die gedruckten Teile im oben beschriebenen grünen Zustand auf der Konstruktionsplattform. Sie haben zwar ihre endgültige Kontur und Form erreicht, jedoch ist die Polymerisationsreaktion noch nicht abgeschlossen, d.h. die mechanischen und thermischen Eigenschaften sind noch nicht vollständig festgelegt.

SLA-Druckteile in einer UV-Nachhärtungskammer. Beim UV-Nachhärten wird der Polymerisationsprozess abgeschlossen und die mechanischen Eigenschaften werden stabilisiert.
SLA-Druckteile in einer UV-Nachhärtungskammer. Beim UV-Nachhärten wird der Polymerisationsprozess abgeschlossen und die mechanischen Eigenschaften werden stabilisiert.

Nach dem Druckvorgang wird der Polymerisationsprozess in einer UV-Nachhärtungskammer abgeschlossen und die mechanischen Eigenschaften werden stabilisiert. Auf diese Weise erhalten die Teile den höchstmöglichen Grad an Festigkeit und Stabilität, was für funktionale Kunstharze in den Bereichen Technik, Zahnmedizin und Schmuckherstellung besonders wichtig ist. So ist beispielsweise für das erfolgreiche Ausbrennen von Druckteilen, die mit dem Gussfähigen Kunstharz gefertigt wurden, eine Nachhärtung unerlässlich, während sich die Festigkeit von Teilen aus Flexiblem Kunstharz durch Nachhärtung verdoppeln lässt.

Testergebnisse über den Einfluss des Nachhärtens auf mechanische Eigenschaften finden Sie in unserem Whitepaper.

Thermohärtende Kunststoffe im Vergleich zu Thermoplasten

Photopolymerharze sind keine Thermoplasten, sondern thermohärtende Kunststoffe. Zwar klingen die Namen dieser Kunststoffe ähnlich, aber sie können sich im Hinblick auf ihre Eigenschaften und Anwendungen erheblich voneinander unterscheiden. Physikalisch besteht der Hauptunterschied darin, dass Thermoplasten mehrfach verflüssigt und gekühlt werden können, um verschiedene Formen anzunehmen, während thermohärtende Kunststoffe nach dem Aushärten permanent im festen Zustand verbleiben.

Polymere in thermohärtenden Kunststoffen vernetzen sich während des Aushärtungsprozesses und gehen dabei irreversible chemische Bindungen ein. Bei den meisten thermohärtenden Kunststoffen wird die Aushärtung durch Wärme oder geeignete Bestrahlung induziert, häufig unter hohem Druck, während dies bei der Stereolithographie durch Licht und einen Photoinitiator erfolgt. Thermoplast-Pellets werden bei Erwärmung weich und flüssig. Dieser Prozess kann vollständig rückgängig gemacht werden, weil es nicht zu chemischen Bindungen kommt.

Anwendungsspezifische SLA-Materialien

Materialien für die Stereolithographie werden im allgemeinen für spezifische Anwendungen oder Branchen entwickelt. Aufgrund verschiedener Maschinen- und Verfahrenseigenschaften können proprietäre Materialien häufig nur auf bestimmten SLA-Systemen eingesetzt werden. Im Folgenden befassen wir uns mit dem Materialangebot von Formlabs für Desktop-SLA-Drucker.

Standard

Vollständig aus Standard-Kunstharzen gefertigte Kamera einschließlich auswechselbarer, optisch transparenter Linsen. [Hier](/blog/creating-camera-lenses-with-stereolithography/). finden Sie eine Beschreibung des Herstellungsprozesses.
Vollständig aus Standard-Kunstharzen gefertigte Kamera einschließlich auswechselbarer, optisch transparenter Linsen. Hier. finden Sie eine Beschreibung des Herstellungsprozesses.

Aus Standard-Kunstharzen gefertigte Teile zeichnen sich bereits unmittelbar nach dem Druckvorgang durch hoch auflösende, feinste Details und eine glatte Oberfläche aus. Nachhärten wird zwar empfohlen, ist aber nicht für alle Anwendungen erforderlich. Daher eignen sich diese Kunstharze besonders gut für das Rapid Prototyping, die Produktentwicklung und allgemeine Modellierungszwecke.

Standard-Kunstharze im Vergleich

Design & Konstruktion

Aus Technischen Kunstharzen hergestellt Teile, darunter Thermoformwerkzeuge und Spritzgussformen, eine flexible Schuhsohle und Konsumartikel.
Aus Technischen Kunstharzen hergestellt Teile, darunter Thermoformwerkzeuge und Spritzgussformen, eine flexible Schuhsohle und Konsumartikel.

Technische Kunstharze simulieren eine Bandbreite von Spritzgusskunststoffen und sind daher für Ingenieure und Produktdesigner bei der Konzeptentwicklung, beim Prototyping sowie beim Testen und Anfertigen von Endprodukten sehr hilfreich. Dank anspruchsvoller Materialeigenschaften (z.B. belastbar, polypropylenähnlich, flexibel oder hitzebeständig) kommen diese Kunstharze bei der Herstellung vieler funktionaler Teile zum Einsatz, von Baugruppen über Spritzgussformen bis hin zu Objekten mit weichgriffigen Oberflächen und Konsumartikeln.

Technische Kunstharze im Vergleich

Zahnmedizin

Auf dem Form 2 gedrucktes Dentalmodell mit biokompatibler Bohrschablone.
Auf dem Form 2 gedrucktes Dentalmodell mit biokompatibler Bohrschablone..

Mit zahnmedizinischen Materialien können Dentallabore und Zahnarztpraxen hausintern eine breite Palette an personalisierten Dentalprodukten anfertigen. Die Teile werden auf der Grundlage des Intraoral-Scans, oder CBCT-Scans, des Patienten sowie der jeweiligen Behandlung konstruiert. Zu den spezifischen Anwendungen gehören Modelle für die Kieferorthopädie, Diagnostik und zahnmedizinische Ausbildung sowie biokompatible Teile wie chirurgische Schablonen und Bohrschablonen.

Zahnmedizinische Kunstharze im Vergleich

Schmuck

Aus Gussfähigem Kunstharz für den Feinguss gedrucktes Schmuckteil und fertiger Ring.
Aus Gussfähigem Kunstharz für den Feinguss gedrucktes Schmuckteil und fertiger Ring.

SLA ist optimal für das Prototyping und den Guss filigraner Schmuckstücke geeignet. Für das Prototyping werden Standard-Modellierharze empfohlen. Auf diese Weise können Kunden mit „Passringen“ oder „Probestücken“ begeistert und etwaige Zweifel oder Bedenken vor dem eigentlichen Guss ausgeräumt werden. Das Gussfähige Kunstharz ist für den Feinguss konzipiert, sodass Schmuckhersteller und -gießereien unmittelbar vom digitalen Design zum Druck von 3D-Modellen übergehen können.

Kunstharze für die Schmuckherstellung im Vergleich

Experimentell

Diese aus Keramik-Kunstharz gedruckte Seifenschale erhält ihren hohen Ästhetikwert durch Nachhärten.
Diese aus Keramik-Kunstharz gedruckte Seifenschale erhält ihren hohen Ästhetikwert durch Nachhärten.

Durch verschiedene Formulierungen mit Zusätzen und Verbundwerkstoffen im Kunstharz eröffnen sich neue Möglichkeiten für experimentelle Materialien. Mit dem Keramik-Kunstharz lassen sich Teile drucken, die nach dem Nachhärten dieselben optischen, haptischen und ästhetischen Eigenschaften aufweisen wie Gegenstände aus herkömmlicher Keramik. Nach dem Brennen werden aus den Druckmodellen reine Keramikteile, die glasiert werden können.

Experimentieren Sie mit dem Zusatz von Expoxidfarben und Duftölen und erstellen Sie farbenfrohe, duftende 3D-Druckteile.

Warum Desktop-SLA?

Um Ihnen bei der Entscheidung zu helfen, ob SLA das richtige Verfahren für Ihre Anwendung ist, vergleichen wir nun die Vorteile der Stereolithographie mit denen traditioneller Herstellungsmethoden und anderer additiver Fertigungstechnologien.

Hohe Auflösung und makellose Oberflächenbeschaffenheit

Die im SLA-Verfahren gefertigten Teile zeichnen sich bereits unmittelbar nach dem Druck durch ihre glatte Oberflächenbeschaffenheit aus. Dies 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.

Die Auflösung eines 3D-Druckers wird in der Regel anhand der Z-Achsen-Schichthöhe definiert. Diese lässt sich auf dem Form 2 von 25 bis 100 Mikrometer (μm) einstellen, wobei zwischen Geschwindigkeit und Qualität abzuwägen ist. Im Vergleich dazu drucken FDM- und SLS-Drucker in der Regel mit Z-Achsen-Schichten zwischen 100 und 300 μm. Ein Teil, das bei 100 μm auf einem FDM- oder SLS-Drucker hergestellt wird, sieht jedoch anders aus als ein bei 100 μm auf einem SLA-Drucker gefertigtes Teil. SLA-Teile haben gleich nach dem Druck eine glattere Oberflächenbeschaffenheit, da die äußersten Grenzwände gleichmäßig sind und die jeweils neu gedruckte Schicht mit der vorherigen Schicht interagiert, wodurch der Stufeneffekt ausgeglichen wird. Bei FDM-Druckteilen sind die Schichten häufig deutlich sichtbar, wohingegen es bei SLS-Druckern aufgrund des Sinterpulvers zu einer körnigen Oberflächenbeschaffenheit kommt.

Türme, die bei einer Schichthöhe von 100 μm auf einem Desktop- und einem industriellen FDM-3D-Drucker, einem Desktop-SLA-3D-Drucker (Form 2), einem industriellen SLA- und einem industriellen SLS-3D-Drucker angefertigt wurden.
Türme, die bei einer Schichthöhe von 100 μm auf einem Desktop- und einem industriellen FDM-3D-Drucker, einem Desktop-SLA-3D-Drucker (Form 2), einem industriellen SLA- und einem industriellen SLS-3D-Drucker angefertigt wurden.

Beim SLA-Druck werden außerdem selbst winzigste Details weitaus genauer wiedergegeben. Grund hierfür ist die Tatsache, dass der Form 2 mit einer Laserspotgröße von 140 μm arbeitet, wohingegen industrielle SLS-Drucker Düsen von 350 μm verwenden und FDM-Maschinen Düsen von 250 bis 800 μm einsetzen.

Lesen Sie hier weiter, um Näheres über die Bedeutung der Auflösung im 3D-Druck zu erfahren.

Präzision und Wiederholbarkeit

SLA-Drucker können Teile präzise und mit wiederholbaren Abmessungen herstellen. Dies ist für funktionale Anwendungen wie technische Baugruppen, Prototypen für den Schmuckguss oder auf der Grundlage von Patientenscans gefertigte personalisierte Dentalprodukte unerlässlich.

Die Kombination aus beheiztem Kunstharztank und geschlossener Konstruktionsumgebung gewährleistet nahezu identische Bedingungen für jeden Druckauftrag. Der höhere Präzisionsgrad lässt sich darauf zurückführen, dass mit niedrigeren Drucktemperaturen gearbeitet wird als bei Thermoplast-Technologien, bei denen das Rohmaterial geschmolzen wird. Da SLA statt Wärme Licht einsetzt, erfolgt der Druckvorgang fast bei Zimmertemperatur. Aus diesem Grund kommt es bei den Druckteilen nicht zu Artefakten durch thermische Expansion und Kontraktion.

Die allgemeine Präzision beläuft sich bei SLA-Druckteilen je nach Größe, Kunstharz, Modellgeometrie und Stützstrukturanforderungen auf 50 bis 200 μm. Neueste Tests des Form 2 haben ergeben, dass die Sollmaße bei 95 % der Druckteile innerhalb von 240 μm oder weniger eingehalten wurden.

Wenn Sie an den Ergebnissen einer eingehenden Präzisionsuntersuchung interessiert sind, laden Sie sich unser kostenloses Whitepaper zu diesem Thema herunter.

Gestaltungsfreiheit

SLA hat die flexibelsten Designspezifikationen aller 3D-Drucktechnologien. Je nach der Teilegeometrie können positive und negative Oberflächenmerkmale bei 300 μm oder weniger realisiert werden. Dies ist für detailorientierte Anwendungen unerlässlich, z. B. die filigranen Einzelheiten von Skulpturen oder die winzigen Krappen von Schmuckstücken.

Bei der Stereolithographie müssen Modelle nicht für den 3D-Druck adaptiert werden. Prototypen lassen sich unter Berücksichtigung des Fertigungsverfahrens konstruieren. Damit erfolgt der Übergang vom Prototyp zur traditionellen Serienfertigung, z. B. bei der spanenden Bearbeitung oder beim Spritzguss, völlig nahtlos.

SLA-Druckteile lassen sich problemlos reinigen und nachbearbeiten. Das Auswaschen von Kunstharz aus internen Kanälen ist kinderleicht. Daher sind Designs mit Mikrokanälen oder -kavitäten möglich, die von keinem der anderen 3D-Druckverfahren unterstützt werden.

Mit dem Transparenten Standard-Kunstharz gedruckte Mikrokanäle für Flüssigkeitstransfer und -mischung.
Mit dem Transparenten Standard-Kunstharz gedruckte Mikrokanäle für Flüssigkeitstransfer und -mischung.

Hier finden Sie die genauen Designspezifikationen für den SLA-3D-Druck.

Rapid Prototyping mit schnellen Iterationen Bei der Stereolithographie haben Ingenieure und Produktdesigner die Möglichkeit, die optischen, haptischen und funktionalen Merkmale eines Designs rasch zu überprüfen. Mechanismen und Baugruppen können innerhalb weniger Tage getestet und problemlos modifziert werden. Damit lassen sich Produktentwicklungszeiten drastisch verkürzen und kostspielige Änderungen der Werkzeugbestückung vermeiden.

Iterationssequenz von [Sutrue](/blog/3d-printing-surgical-tools-sutrue-feature/), einem automatischen chirurgischen Nahtinstrument, dessen Prototypen auf SLA-Druckern von Formlabs gefertigt wurden.
Iterationssequenz von Sutrue, einem automatischen chirurgischen Nahtinstrument, dessen Prototypen auf SLA-Druckern von Formlabs gefertigt wurden.

Desktop-SLA-Konfigurationen können problemlos skaliert werden, womit sich erhebliche Durchsatzsteigerungen sowie eine Verkürzung der Anwender-Wartezeiten erzielen lassen.

Erfahren Sie Näheres über den Einsatz mehrerer Desktop-SLA-3D-Drucker in unserem kostenlosen Whitepaper.

Funktionale Teile für eine breite Anwendungspalette

SLA-Kunstharze bieten ein breites Spektrum an Merkmalen für Anwendungen von der Technik, über die Zahnmedizin bis hin zur Schmuckherstellung. Zu den Materialeigenschaften gehören u. a. Hitzebeständigkeit, Biokompatibilität, optische Transparenz oder Übereinstimmung mit den Eigenschaften technischer Kunststoffe.

Durch chemische Bindungen, die eine schichtübergreifende Vernetzung bewirken, lassen sich mit SLA wasser- und luftdichte Teile von hoher isotroper (d. h. richtungsunabhängiger) Festigkeit herstellen.

Kosten-Nutzen-Verhältnis

Präzise Prototypen, schnelle Iterationen und frühzeitige Fehlererkennung, all dies führt zu besseren Ergebnissen und weniger Risiken beim Übergang vom Prototyping zur Produktion. Im Bereich der Fertigung verringert SLA den Bedarf an kostspieliger Werkzeugbestückung, was die Kleinserien- oder Auftragsfertigung (z. B. für die Übergangsproduktion oder die Herstellung von Schmuck-Unikaten oder personalisierten Dentalprodukten) rentabel macht.

Die Kosten für industrielle SLA-Drucker können sich auf mehr als 80.000 US$ belaufen. Außerdem erfordert ihr Betrieb technisches Fachpersonal und obligatorische Serviceverträge. Desktop-SLA bietet die Qualität und das Funktionsspektrum industrieller Systeme, jedoch bei geringem Platzbedarf, hoher Anwenderfreundlichkeit und Preisen ab 3.500 US$.

Im Vergleich zum Outsourcing oder zu traditionellen Fertigungsverfahren können mit hausinternem 3D-Druckern 50- bis 90-prozentige Kosteneinsparungen erzielt werden, wenn alle verbundenen Kosten wie Verbrauchsmaterial (Kunstharze, Tanks, Zubehör), Wartungs- und Arbeitsaufwand sowie die Abschreibung der Maschine berücksichtigt werden. Die Produktion mit Desktop-SLA erfolgt innerhalb von Stunden, während das Outsourcing Tage oder Wochen in Anspruch nehmen kann.

Einen Kosten- und Zeitvergleich zwischen SLA-Druck, Outsourcing und Spritzguss für kleine Produktionsvolumina finden Sie in unserem kostenlosen Whitepaper.

Vergleich der Technologien

Heute gibt es drei gängige Kunststoff-Technologien für den 3D-Druck. Beim Fused Deposition Modeling (FDM), auch als Strangablegeverfahren bezeichnet, wird ein Strang aus Thermoplast-Filament geschmolzen und auf einem Druckbett abgelegt, bei der Stereolithographie (SLA) wird flüssiges Photopolymer-Kunstharz mit einer Lichtquelle verfestigt und beim selektiven Laser-Sintern (SLS) wird pulverförmiges Rohmaterial mit einem Laser gesintert.

Alle drei Technologien haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile und werden somit für verschiedene Anwendungen empfohlen.

Fused Deposition Modeling (FDM) Stereolithografie (SLA) Lasersintern (SLS)
Vorteile schnell
geringer Kostenaufwand für System und Materialien
ausgezeichnetes Kosten-Nutzen-Verhältnis
hohe Präzision
glatte Oberflächenbeschaffenheit
breites Spektrum funktionaler Anwendungen
robuste funktionale Teile
Gestaltungsfreiheit
keine Stützstrukturen erforderlich
Nachteile geringe Präzision
geringe Auflösung
begrenzte Design-Kompatibilität
begrenztes Bauvolumen auf Desktop
empfindlich bei langer UV-Lichtexposition
hoher Kostenaufwand
raue Oberflächenbeschaffenheit
begrenzte Materialauswahl
Anwendungen kostengünstiges Rapid Prototyping funktionales Prototyping
Dentalanwendungen
Schmuck-Prototyping und -guss
Modellbau
Funktionales Prototyping
Kleinserien-, Übergangs- und Einzelfertigung
Price Desktop-Drucker der mittleren Preisklasse ab 2.000 US$ und industrielle System ab 20.000 US$ Professionelle Desktop Drucker ab 2.000 US$ und große Industriemaschinen ab 80.000 US$. Benchtop Drucksysteme ab 10.000 US$ und industrielle Drucker ab 200.000 US$.

Einen detaillierten Vergleich der FDM-, SLA- und SLS-Technologien und -Anwendungen. bietet unser Webinar.

Druckverfahren

Nachdem wir uns eingehend mit der Theorie der Stereolithographie befasst haben, wenden wir uns nun dem praktischen Einsatz eines Desktop-SLA-Druckers zu.

Design

Konstruieren Sie Ihr Modell mit einer beliebigen Software für rechnergestütztes Design (CAD) und exportieren Sie es in einem für den 3D-Druck geeigneten Dateiformat.
Konstruieren Sie Ihr Modell mit einer beliebigen Software für rechnergestütztes Design (CAD) und exportieren Sie es in einem für den 3D-Druck geeigneten Dateiformat.

Wie bei allen 3D-Druckverfahren ist der Ausgangspunkt auch bei der SLA ein dreidimensionales Modell, d.h. die mathematische Darstellung einer beliebigen dreidimensionalen Fläche. Das Modell kann mit Software für das rechnergestützte Design (CAD) oder auf der Grundlage von 3D-Scandaten erstellt werden. Das Design wird dann als .STL- oder .OBJ-Datei exportiert und von kompatibler Software auf den 3D-Druck vorbereitet.

Vorbereitung

Bereiten Sie das Modell mit der Software des SLA-3D-Druckers auf den Druck vor.
Bereiten Sie das Modell mit der Software des SLA-3D-Druckers auf den Druck vor

Im Lieferumfang jedes SLA-Druckers ist Software enthalten, die zur Festlegung von Druckeinstellungen dient und das digitale Modell für den Druck in Schichten aufteilt

Druck

Laufender Stereolithographie-Druckvorgang.
Laufender Stereolithographie-Druckvorgang.

Nach einer raschen Bestätigung der korrekten Einrichtung beginnt der Druckvorgang und die Maschine kann bis zu dessen Abschluss unbeaufsichtigt laufen. Bei Druckern mit Kartuschensystem wird das Material automatisch von der Maschine nachgefüllt. In anderen Fällen muss der Anwender bei großen Druckteilen möglicherweise Material nachfüllen.

Reinigung

Reinigen Sie die Druckteile in Isopropylalkohol (IPA), um alle unausgehärteten Harzreste zu entfernen.
Entfernen Sie die Stützen mit einem Seitenschneider und schleifen Sie die verbleibenden Stützspuren sauber ab.

Nach Abschluss des Druckvorgangs kann die Konstruktionsplattform aus dem Drucker entnommen werden. Die Druckteile müssen dann in Isopropylalkohl (IPA) gespült werden, um alle unausgehärteten Harzablagerungen von den Oberflächen zu entfernen.

Aushärtung

Beste Materialeigenschaften werden erzielt, wenn die Teile ausgehärtet werden.
Beste Materialeigenschaften werden erzielt, wenn die Teile nachgehärtet werden.

Aus funktionalen Kunstharzen gedruckte Teile erfordern eine Nachhärtung in einer UV-Kammer, um den Polymerisationsprozess abzuschließen und die mechanischen Eigenschaften zu stabilisieren.

Fertigstellung

Entfernen Sie die Stützen mit einem Seitenschneider und schleifen Sie die verbleibenden Stützspuren sauber ab.
Entfernen Sie die Stützen mit einem Seitenschneider und schleifen Sie die verbleibenden Stützspuren sauber ab.

Nach dem Trocknen und Aushärten können Stützen leicht mit einem Seitenschneider entfernt und die verbleibenden Stützspuren sauber abgeschliffen werden. SLA-Druckteile lassen sich problemlos für spezifische Anwendungen oder die erforderliche Oberflächenbeschaffenheit nachbearbeiten, so u.a. durch spanende Bearbeitung, Grundieren(/blog/painting-3d-printed-parts/), [Lackieren] und Montieren.

Einstieg in den SLA-3D-Druck

Erfahren Sie Näheres über den Desktop SLA 3D-Drucker Form 2, informieren Sie sich eingehend über Materialien für die Stereolithograpie, oder fordern Sie einen kostenlosen Probedruck an , um sich persönlich von der Qualität des SLA-Drucks zu überzeugen.

Den Form 2 auf einen Blick

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