SLA (Stereolithografie): Wir erklären Ihnen das 3D-Druckverfahren

Die Stereolithografie gilt als Ursprung aller 3D-Druckverfahren. Ein erster Entwurf wurde 1984 durch Charles Hull patentiert und 1988 kam die erste käufliche Maschine des Unternehmens 3D Systems auf den Markt. Was verbirgt sich hinter dieser Technologie? Dieser Artikel erklärt Ihnen alles rund um die Stereolithografie und beschäftigt sich ebenfalls mit Digital Light Processing.

Das Stereolithografie-Verfahren, besser bekannt als SLA (stereolithograph apparatus), verwendet das Prinzip der Photopolymerisation, um 3D-Modelle aus einem UV-empfindlichen Harz herzustellen. Bei diesem Verfahren verfestigt sich beim Auftreffen eines Lasers auf das Harz dieses an der besagten Stelle, sodass Schicht für Schicht das Objekt aufgebaut wird. Die Stereolithografie schafft damit eine der hochwertigsten Oberflächen, die existierende Drucktechnologien derzeit bieten.

Aus historischer Sicht wird die Stereolithographie als der Ursprung des 3D-Drucks angesehen. Bereits im Jahre 1984 meldete der Amerikaner Chuck Hull diese Technologie zum Patent an, der 1988 schließlich mit seinem Unternehmen 3D Systems den ersten 3D-Drucker vermarktete. Allerdings ist zu erwähnen, dass bereits einige Tage zuvor ein Trio französischer Forscher, bestehend aus Jean-Claude André, Olivier de Witte und Alain le Méhauté, im Namen der Alcatel-Gruppe ein ähnliches Patent einreichte. Dieses wurde allerdings wegen fehlender Marktchancen wieder aufgegeben.

Die 3D-Drucker, die Stereolithografie verwenden, zeichnen sich einerseits durch ihr flüssiges Druckmaterial sowie durch ihre UV-Schutzhülle aus, die zumeist in Orange, Grün, Rot oder Gelb gehalten ist. Diese Drucker bieten im Vergleich zu anderen Drucktechnologien ein relativ kleines Produktionsvolumen, auch wenn einige Drucker, wie zum Beispiel der Mammoth von Materialise, Teile mit einer Länge von mehr als zwei Metern Länge produzieren können.

Der Form 2 von Formlabs ist ein 3D-Drucker, der die Stereolithografie anwendet.

Wie funktioniert die Stereolithografie?

Wie bei jeder anderen 3D-Drucktechnologie ist zunächst eine digitale 3D-Datei notwendig. Diese kann mithilfe einer CAD-Software (zum Beispiel SolidWorks, Sculpt oder Maya) erzeugt werden. Diese Datei, oft im STL-Format, wird an den 3D-Drucker gesendet, in dem eine zweite Software (sogenannte Slicer) das Objekt in dünne Druckschichten zerlegt. Diese Anweisungen werden dann vom 3D-Drucker verarbeitet und das Drucken kann beginnen.

Zu den verschiedenen Komponenten einer Stereolithographie-Maschine gehören die Folgenden: Ein Becken mit flüssigem Photopolymer, eine Bauplattform, die sich auf der Z-Achse bewegt, ein Auftragsarm (Sweeper), der sich auf der auf der X-Achse bewegt, ein UV-Laser, Linsen zur optischen Fokussierung und ein galvanometrischer Spiegel, der den Laserstahl in X- und Y-Richtung lenkt.

Nach Vorlage des digitalen 3D-Modells tastet der Laserstrahl auf jeder Ebene die erforderlichen Stellen ab. Sobald eine Materialschicht verfestigt ist, senkt sich die Bauplattform minimal (im Umfang der Schichtungdicke) ab und eine weitere Ebene kann gelasert werden. Dieser Arbeitsvorgang wiederholt sich so lange, bis alle notwendigen Schichten zur Bildung des finalen Objektes abgedeckt sind.

Bei einigen 3D-Druckern mit dieser Technologie (wie z. B. bei Formlabs) erfolgt die Produktion umgekehrt. Die Plattform wird nach jeder verfestigten Schicht in die Harzschale eingetaucht, während der Laser von unten nach oben wirkt.

Die Technologie SLA verwendet flüssiges Harz als Druckmaterial.

Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, muss das gedruckte Objekt unter Verwendung eines Lösungsmittels (üblicherweise Isopropylalkohol, auch Isopropanol genannt) gereinigt werden, um den Überschuss an nichtverfestigtem Harz zu entfernen. Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Selektives Lasersintern (SLS), der Schmelzschichtung (FDM) und Polyjet 3D-Drucken ist zudem normalerweise eine UV-Nachbehandlung erforderlich, um den Photopolymerisations-Prozess abzuschließen und die Festigkeit des Materials zu maximieren.

Wie bei der Schmelzschichtung (FDM) verwendet auch SLA Stützstrukturen beim Drucken komplexer Formen. Diese Art Gerüst erlaubt es, fragile Teile beim Drucken zu stützen. Diese Strukturen werden bei der Nachbearbeitung des Objektes wieder entfernt.

Die Stereolithografie-Technologie bietet als Ergebnis eine leicht glasige Oberflächenbeschaffenheit, welche jedoch dem FDM- oder SLS-Verfahren (bei gleicher Schichtdicke) in der Regel überlegen ist. Normalerweise sind die verschiedenen Druckschichten kaum sichtbar. Allerdings sind nur wenige Farben für SLA verfügbar.

SLA als Grundlage weiterer 3D-Drucktechnologien

Nach dem Auslaufen der ersten Patente im Zusammenhang mit der Stereolithographie, haben viele Akteure daran gearbeitet, diese Technologie zu verbessern. Das Digital Light Processing (DLP-Methode), bei der ein Videoprojektor anstelle des Lasers verwendet wird, um einen größeren Bereich mit erhöhter Druckgeschwindigkeit abzudecken, ist ein Beispiel hierfür. Ein anderes Beispiel ist das französische Unternehmen Prodways, das eine Technik namens MovingLight entwickelt hat. Diese bewegt einen Videoprojektor, sodass eine größere Fläche belichtet  und die Produktion der Objekte beschleunigt wird. Das britische Unternehmen Photocentric verwendet einen LCD-Bildschirm als UV-Lichtquelle.

Der Hersteller Carbon3D stellte vor Kurzem sein CLIP-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production) vor, das die Sauerstoffmenge während der Photopolymerisationsreaktion kontrolliert, wodurch die Druckgeschwindigkeit  25 bis 100 mal schneller ist. Eine weitere interessante Innovation: Das Start-up ONO erhielt 2,3 Millionen US-Dollar für ein System, bei dem das Harz mithilfe des Lichts eines Smartphones gefestigt wird.

Diese Objekte wurden mithilfe von SLA gefertigt. Man beachte hierbei insbesondere die glasige Struktur.

Zu den führenden Herstellern von 3D-SLA-Druckern gehört natürlich 3D-Systems, das seit Anfang an dabei ist. Aber auch neuere Player wie DWSlab, B9Creator oder Formlabs gehören mittlerweile zu den großen Herstellern. Das in Boston ansässige Start-up Formlabs startete 2011 eine Crowdfunding-Kampagne auf Kickstarter, wobei eine Summe von 3 Millionen US-Dollar erzielt werden konnte. Dadurch entstand der Form 1, der erste 3D-SLA-Desktopdrucker mit einem Preis unter 5.000 US-Dollar. Der Preis für 3D-Drucker mit Stereolithographie reicht von 1.000 € für Low-Cost-Versionen bis hin zu mehreren 10.000 € für professionelle Maschinen mit großem Produktionsvolumen. Eine Übersicht über 3D-Drucker, die Harz verwenden, finden Sie hier.

Anwendungen von Stereolithografie

Aufgrund seiner Geschwindigkeit wird SLA häufig in vielen Bereichen der Industrie zum Prototyping eingesetzt. Je nach Qualität des Druckers ist es jedoch auch möglich, Teile zu fertigen, die sofort funktionsfähig sind. SLA wird zudem auch für die Herstellung von Spritzgussformen oder in der Gießerei eingesetzt, insbesondere in der Schmuck- und Zahnmedizin.

Das Wachsausschmelzverfahren ist ein Beispiel für ein indirektes Herstellungsverfahren unter Verwendung der Stereolithographie. Diese sehr alte Technik beruht nun auf dem 3D-Druck, indem eine originalgetreue Nachbildung des endgültigen Modells  in einem kalzinierfähigen Wachs erstellt wird. Sobald die gedruckte Form fertig ist, wird sie in ein feuerfestes Material gewickelt, wodurch die Form entsteht. Ein geschmolzenes Metall wird dann in die Form gegossen und ersetzt das Wachs. Sobald die Form entfernt ist, ist das Metallteil verfügbar.

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