Stereolithografie

Stereolithografie (abgekürzt STL oder SLA) (zusammengesetzt aus den Worten Stereo, nach dem altgriechisch στερεός stereos - „hart“, „fest“, „körperlich“, auch im Sinne von „räumlich“ und Lithografie, der Drucktechnik nach dem altgriechisch λίθος lithos - „Stein“ und altgriechisch γραφή graphein - „Schreiben“) ist ein technisches Prinzip des Rapid Prototyping oder des Rapid-Manufacturing, bei dem ein Werkstück durch frei im Raum materialisierende (Raster-)Punkte schichtenweise aufgebaut wird. Die Fertigung eines Teils oder mehrerer Teile gleichzeitig erfolgt üblicherweise vollautomatisch aus am Computer erstellten CAD-Daten.

Prinzip am Beispiel der Laser-Stereolithografie für Einzelbauteile

Ein lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer), zum Beispiel Epoxidharz, wird von einem Laser in dünnen Schichten (Standardschichtstärke im Bereich 0,05-0,25 mm, bei Mikrostereolithografie auch bis zu 1-Mikrometerschichten) ausgehärtet. Die Prozedur geschieht in einem Bad, welches mit den Basismonomeren des lichtempfindlichen (photosensitiven) Kunststoffes gefüllt ist. Nach jedem Schritt wird das Werkstück einige Millimeter in die Flüssigkeit abgesenkt und auf eine Position zurückgefahren, die um den Betrag einer Schichtstärke unter der vorherigen liegt. Der flüssige Kunststoff über dem Teil wird dann durch einen Wischer gleichmäßig verteilt. Dann fährt ein Laser, der von einem Computer über bewegliche Spiegel gesteuert wird, auf der neuen Schicht über die Flächen, die ausgehärtet werden sollen. Nach dem Aushärten erfolgt der nächste Schritt, so dass nach und nach ein dreidimensionales Modell entsteht.

Bei der Mikrostereolithografie werden keine Stützstrukturen benötigt, in vielen Fällen entfällt ebenfalls die Nachhärtung. Bei Stereolithografieverfahren für große Bauteile ist dies anders, da das vom Laser gehärtete Harz noch relativ weich ist und auch bestimmte Formelemente (z. B. Überhänge) während des Bauprozesses sicher zu fixieren sind. Dazu werden bei der Herstellung auch Stützstrukturen mitgebaut. Nach dem Bauprozess wird die Plattform mit dem/den Teil(en) aus dem Behälter herausgefahren. Nach dem Abtropfen des nicht gehärteten Harzes wird das Modell von der Plattform entfernt, von den Stützstrukturen befreit, mit Lösungsmitteln gewaschen und in einem Schrank unter UV-Licht vollständig ausgehärtet.

Ein weiteres Verfahren, welches ebenfalls die Photopolymerisation zur Herstellung von physischen Objekten nutzt, ist das "Solid Ground Curing" (SGC). Dabei wird jede Schicht durch UV-Licht ausgehärtet, wobei für jede Schicht eine Lichtmaske in einem Photoplotter ausgedruckt werden muss. Dieses Verfahren, das besonders in den Anlagen der Firma Cubital (Israel) genutzt wurde, hat jedoch in den letzten Jahren sehr stark an Bedeutung verloren.

Merkmale

• Vorhandene 3D-CAD Daten werden in das STL-Format konvertiert. Diese Daten werden an die Stereolithografie-Dienstleister geschickt, die dann die eventuell notwendigen Stützkonstruktionen zufügen.
• Nach der Festlegung der Baulage erfolgt die Generierung der für die Anlage erforderlichen geometrischen Steuerdaten, das sogenannte "Slicen".
• Diese Daten werden an das Fertigungssystem gesendet und bilden die Basis für die Steuerung des Laserstrahls auf der Badoberfläche.
• Innerhalb weniger Stunden bekommt man ein reales Modell der virtuell im CAD vorhandenen Teile.
• Stereolithografie ermöglicht eine hohe Präzision (typischerweise 0,1 mm; bei RMPD-Verfahren auch wesentlich niedriger bis zu 1 Mikrometer pro Schicht) bei feinen Strukturen und geringen Wandstärken.
• Da ein Modell in einer Flüssigkeit aufgebaut wird, benötigt man für überhängende Teile bei großen Bauteilen Stützstrukturen, die wieder entfernt werden müssen. Im Gegensatz zu anderen Rapid Prototyping verfahren besteht hier allerdings die Stützstruktur aus dem gleichen Material wie das Bauteil, und muss daher (da eine Verbindung mit dem Bauteil nicht zu vermeiden ist) mechanisch entfernt werden
• Meist muss das mit Stereolithographie erstellte Modell nach der Entnahme aus der Maschine in einem UV-Licht-Schrank ausgehärtet werden

In den letzten Jahren erfolgten technische Entwicklungen, die das "Multi Jet Modeling" mit Grundprinzipien der Stereolithografie verbinden. Als Stützmaterial dient dabei ein Wachsmaterial, welches durch Erwärmen verflüssigt wird. Das Bauteil selbst wird analog zur Stereolithografie aus einem Photopolymer erzeugt. Beide Materialien werden über einen modifizierten Druckkopf (ähnlich den Tintenstrahldruckern) aufgetragen. Zusätzlich sorgt eine Lichtquelle für die Belichtung und damit das Aushärten des Photopolymers. Diese Systeme können im Gegensatz zu RP-Stereolithografie-Anlagen auch im Büro eingesetzt werden und sind mit Preisen ab etwa 50.000 Euro deutlich billiger.

Anwendung

Das Stereolithografie-Verfahren ist in der Produktentwicklung bei der Erstellung von Prototypen (Konzept-, Geometrie-, Anschauungs-, Funktionsmodelle) im Maschinenbau, insbesondere im Automobilbau und in der Medizin verbreitet. Ein zunehmender Trend wird in den nächsten Jahren bei der direkten Herstellung von Endprodukten mit Hilfe von Stereolithografie-Anlagen erwartet ("Rapid Manufacturing"). Ein Anwendungsbeispiel, das hierbei im täglichen Leben bereits eine Rolle spielt, ist die Herstellung von individuellen Gehäusen für Hörgeräte mit Hilfe der Stereolithografie, sowie die von microTEC hergestellten Lab-on-Chip-Systeme.

Weitere Anwendungsbeispiele sind Gussmodelle, oder Architekturmodelle.