3D-Druck-Verfahren vorgestellt Was kann Stereolithographie (SLA)?

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Vom Namen her sind die meisten Verfahren zur additiven Fertigung mit Metall und Kunststoff bekannt. Doch wie funktionieren sie? Was sind ihre Stärken, was ihre Schwächen? Was ist beim Bauteildesign zu beachten? Und für welche Anwendungen sind sie geeignet? 3D-Druck-Spezialist Materialise gibt einen Überblick. Teil 1: Stereolithographie

Stereolithographie, auch bekannt als SLA oder SL, kam bereits 1986 durch 3D Systems auf den Markt und ist damit der Veteran unter den 3D-Druck-Technologien. Seit 1990 ist das Verfahren auch bei Materialise im Einsatz. Die grundlegende Version der Technologie basiert auf UV-empfindlichen Flüssigharzen, die auf einer Plattform aufgebracht und anschließend per Laserstrahl selektiv gehärtet werden, daraus haben sich im Laufe der Zeit verschiedene Varianten entwickelt. Während des Fertigungsprozesses senkt sich die Plattform nach und nach ab und das Bauteil wächst Schicht für Schicht. Damit sich das Druckobjekt im Harzbad nicht bewegt, wird es mittels Stützstrukturen (Supports) auf der Bauplattform fixiert. Supports stabilisieren zudem Überhänge von weniger als 30° zur horizontalen Achse. Nach dem Druck werden nicht gehärtetes Harz und Supports vom Bauteil entfernt.

Eigenschaften und Anwendungsfelder

Die Stärken von SLA liegen in der Kombination einer sehr hohen Dimensionsgenauigkeit, hoher Oberflächenqualität und relativ kurzen Produktionszeiten. Darüber hinaus ist SLA neben Polyjet die einzige additive Fertigungstechnologie, mit der sich auch transparente Objekte schaffen lassen. Mittels Stereolithografie lassen sich außerdem große Bauteile am Stück fertigen: Bei Materialise ist dank eines selbst entwickelten Druckers die Fertigung von Bauteilen möglich, die über zwei Meter lang, 70 Zentimeter breit und 80 Zentimeter tief sind. Selbst Stoßstangen-Modelle lassen sich so in einem Durchgang fertigen. Für die Nachbearbeitung der gedruckten Bauteile ist zu berücksichtigen, dass je nach Ausrichtung im Bauraum die unterschiedlichen Flächen des Bauteils sichtbare Aufbauschichten aufweisen und gegebenenfalls Stützstrukturen benötigen. Dies kann, je nach Anforderung, zusätzliche Arbeiten erfordern. Oberflächen von SLA-Bauteilen lassen sich sandstrahlen, lackieren, bedecken und beschichten. Ganz nach Bedarf entstehen so unterschiedliche Effekte – von groben Strukturen bis hin zu Hochglanz und metallischer Optik.

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SLA ist vor allem für die Fertigung von Prototypen und Modellen für andere Fertigungsverfahren geeignet, auch komplexe Geometrien lassen sich damit realisieren. Zu den Einsatzfeldern zählen unter anderem visuelle Prototypen für Fotoaufnahmen und Markttests, vorzeigbare Bauteile mit glatten Oberflächen und feinen Details sowie Prototypen für spezielle Funktionstests. Werden die Bauteile galvanisch beschichtet, stellen sie oft eine gute Alternative für Blech-Prototypen dar. Ebenso ist SLA eine bewährte Technologie für Urmodelle für Kopiertechniken wie Vakuumgießverfahren sowie für Modelle für den Feinguss. Für Bauteile, die sehr belastbar oder langlebig sein müssen, eignet sich Stereolithografie aufgrund der begrenzten Funktionalität und Lebensdauer der verfügbaren Materialien nicht.

Materialien

Für das SLA-Verfahren stehen heute zahlreiche Materialien zur Verfügung, die sich vor allem in Farbe, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit unterscheiden. Ab Druck sind weiße, schwarze, lichtdurchlässige und transparente Objekte ebenso realisierbar wie relativ haltbare Bauteile mit komplexen Funktionsdetails oder Teile mit vergleichsweise hohem Wärmewiderstand. Exemplarisch lohnt sich der Vergleich der Materialien Taurus und TuskXC2700T.

Stereolithographie-Werkstoff

Robuste Stereolithographie-Bauteile

TuskXC2700T ist ein transparentes Material mit einer leicht blauen Färbung, das Bauteile ermöglicht, die extrem hoch aufgelöst, sehr maßhaltig und auch noch verzugsfrei sind. Insgesamt weisen die Objekte eine ABS- und PBT-ähnliche Steifigkeit auf. Anders als andere SLA-Materialien kann TuskXC2700T mit Wasser in Kontakt kommen. Dadurch eignet sich das Harz außer für Prototypen und hochwertig bearbeitete Modelle in besonderer Weise auch für Modelle zur Wasserstromanalyse und für Windkanaltests.

Stereolithographie

Glasklares SLA-Druckmaterial vorgestellt

Das Material Taurus dagegen besitzt eine vergleichsweise hohe mechanische Belastbarkeit, Festigkeit und Reißdehnung. Zudem ist es wärmebeständiger. Einsatzfelder umfassen funktionale Prototypen sowie Bauteile für Passform- und Funktionsprüfungen. Insgesamt überzeugt Taurus als SLA-Material durch seine thermoplastische Anmutung und Eigenschaften.

Designtipps

Bei SLA hängt die Mindestwandstärke von der Gesamtgröße ab. Es ist zu empfehlen, die Wandstärke immer dann zu erhöhen, wenn das Design auf ein größeres Format skaliert wird. Kleine Objekte, bei denen die Summe der Abmessungen weniger als 20 cm beträgt, benötigen eine Mindestwandstärke von 1 mm. Mittelgroße Bauteile, bei denen die Summe der X-, Y- und Z-Abmessungen zwischen 20 cm und 40 cm liegt, erfordern mindestens 2 mm dicke Wände. Bei größeren Bauteilen muss die Wandstärke wenigstens 3 mm betragen. Aufgrund der schichtweisen Herstellung der Bauteile beeinflusst ihre Ausrichtung auf der Bauplattform die Qualität und die Festigkeit ihrer Oberflächen. Je nach Bauteilgeometrie können in der Oberfläche feine, aber möglicherweise störende Stufen erkennbar werden. Die Bauteilausrichtung sollte also Bauteilanforderungen und die benötigten Nachbearbeitungsschritte berücksichtigen.

Sinnvoll ist es darüber hinaus Bauteile auszuhöhlen. Das senkt die Kosten und vermeidet Probleme durch Schrumpfung in stärkeren Abschnitten des Bauteils. Die Hohlräume sind aus zwei Gründen mit Löchern zu versehen: Zum einen um das flüssige Harz nach der Fertigung aus dem Bauteil entfernen zu können. Zum anderen stellen die Öffnungen sicher, dass der Druck des flüssigen Harzes während der Fertigung innerhalb und außerhalb des Bauteils auf gleichem Niveau bleibt, sodass Verformungen vermieden werden.

Die Öffnungen werden in der Regel am tiefsten Punkt des Bauteils im Bauraum platziert. Je nach Anwendung sollten die Löcher nach dem Drucken außerdem möglichst wenig sichtbar oder im Rahmen der Nachbearbeitung leicht zu füllen sein. Manche Hohlräume erfordern im Inneren Supports zur Stabilisierung. Müssen diese Support später entfernt werden, ist das bereits bei der Gestaltung zu berücksichtigen. Die einfachste Lösungsmöglichkeit ist es, zwei Bauteile zu konstruieren, deren Zusammenfügung erst den Hohlraum entstehen lässt. Der unübersehbare Nachteil ist allerdings eine Naht, die nicht immer gewünscht ist. Ein anderer Weg besteht in der Einarbeitung eines großen Lochs oder - bei komplexen Formen - mehrerer Löcher. Um die Supports entfernen zu können, sollten diese einen Mindestdurchmesser von 10 Millimetern aufweisen. Eine dritte Variante ist es, den Hohlraum innen zu verrunden. Dadurch sind Supports oft vollkommen vermeidbar – oder zumindest so weit vermeidbar, dass sich der Hohlraum gut von ihnen befreien lässt.

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* Jonas Kohlrautz, Sales Engineer, Materialise

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