Stereolithographie

Stereolithographie (SLA oder SL; auch bekannt als Stereolithographieapparatur, optische Fabrikation, Photoverfestigung oder Harzdruck) ist eine Form der 3D-Drucktechnologie, die verwendet wird, um Modelle, Prototypen, Muster und Produktionsteile Schicht für Schicht unter Verwendung von Photopolymerisation zu erzeugen , ein Prozess, bei dem Licht Ketten von Molekülen verbindet, die Polymere bilden. Diese Polymere bilden dann den Körper eines dreidimensionalen Feststoffs. Die Forschung in diesem Bereich wurde in den 1970er Jahren durchgeführt, aber der Begriff wurde von Chuck Hull im Jahr 1984 geprägt, als er das Verfahren, das 1986 erteilt wurde, zum Patent anmeldete. Stereolithographie kann verwendet werden, um Dinge wie Prototypen für Produkte in herzustellen Entwicklung, medizinische Modelle und Computerhardware sowie in vielen anderen Anwendungen. Während Stereolithographie schnell ist und fast jedes Design erzeugen kann, kann es teuer sein.

Geschichte
Stereolithographie oder „SLA“ -Druck ist eine frühe und weit verbreitete 3D-Drucktechnologie. In den frühen 1980er Jahren erfand der japanische Forscher Hideo Kodama den modernen Schichtansatz für die Stereolithographie, indem er ultraviolettes Licht verwendete, um lichtempfindliche Polymere zu härten. 1984, kurz bevor Chuck Hull sein eigenes Patent einreichte, reichten Alain Le Mehaute, Olivier de Witte und Jean Claude André ein Patent für den Stereolithographieprozess ein. Die Patentanmeldung der französischen Erfinder wurde von der französischen General Electric Company (jetzt Alcatel-Alsthom) und CILAS (The Laser Consortium) aufgegeben. Le Mehaute glaubt, dass die Aufgabe ein Problem der Innovation in Frankreich widerspiegelt.

Der Begriff „Stereolithographie“ wurde jedoch 1984 von Chuck Hull geprägt, als er sein Patent für den Prozess einreichte. Chuck Hull patentierte die Stereolithographie als ein Verfahren zum Erzeugen von 3D-Objekten durch aufeinanderfolgendes „Drucken“ dünner Schichten eines Objekts unter Verwendung eines durch ultraviolettes Licht härtbaren Mediums, ausgehend von der unteren Schicht bis zur oberen Schicht. Hulls Patent beschreibt einen konzentrierten Strahl ultravioletten Lichts, der auf die Oberfläche eines mit einem flüssigen Photopolymer gefüllten Bottichs fokussiert ist. Der Strahl wird auf die Oberfläche des flüssigen Photopolymers fokussiert, wobei jede Schicht des gewünschten 3D-Objekts durch Vernetzung (Erzeugung von intermolekularen Bindungen in Polymeren) erzeugt wird. Es wurde mit der Absicht entwickelt, es Ingenieuren zu ermöglichen, Prototypen ihrer Entwürfe auf eine zeitlich effektivere Weise zu erstellen. Nach der Erteilung des Patents 1986 gründete Hull die erste 3D-Druckerei der Welt, 3D Systems, um sie zu kommerzialisieren.

Der Erfolg der Stereolithographie in der Automobilindustrie ermöglichte es, den 3D-Druck zu einem Industriestandard zu machen, und die Technologie findet in vielen Studienbereichen weiterhin innovative Anwendung. Es wurden Versuche unternommen, mathematische Modelle von Stereolithographieprozessen zu konstruieren und Algorithmen zu entwerfen, um zu bestimmen, ob ein vorgeschlagenes Objekt unter Verwendung von 3D-Drucken konstruiert werden kann.

Technologie
Die Stereolithographie ist ein additives Herstellungsverfahren, bei dem ein ultravioletter (UV) Laser auf einen Bottich aus Photopolymerharz fokussiert wird. Mit Hilfe der Software für computergestützte Fertigung oder computergestützte Konstruktion (CAM / CAD) wird der UV-Laser verwendet, um eine vorprogrammierte Konstruktion oder Form auf die Oberfläche des Fotopolymerbehälters zu zeichnen. Photopolymere sind empfindlich gegenüber ultraviolettem Licht, so dass das Harz photochemisch erstarrt und eine einzige Schicht des gewünschten 3D-Objekts bildet. Dann senkt die Bauplattform eine Schicht und eine Schaufel überzieht die Oberseite des Tanks mit Harz. Dieser Prozess wird für jede Schicht des Designs wiederholt, bis das 3D-Objekt vollständig ist. Fertige Teile müssen mit einem Lösungsmittel gewaschen werden, um nasses Harz von ihren Oberflächen zu entfernen.

Es ist auch möglich, Objekte „von unten nach oben“ zu drucken, indem eine Wanne mit einem transparenten Boden verwendet wird und der UV- oder tiefblaue Polymerisationslaser durch den Boden der Wanne nach oben fokussiert wird. Eine invertierte Stereolithographiemaschine startet einen Druck, indem die Aufbauplattform abgesenkt wird, um den Boden der mit Harz gefüllten Wanne zu berühren, und dann die Höhe einer Schicht nach oben bewegt wird. Der UV-Laser schreibt dann die unterste Schicht des gewünschten Teils durch den transparenten Bottichboden. Dann wird der Bottich „geschaukelt“, wobei er den Boden des Bottichs biegt und von dem gehärteten Photopolymer abzieht; das ausgehärtete Material löst sich vom Boden des Bottichs und bleibt an der aufgehenden Bauplattform haften, und neues flüssiges Photopolymer strömt von den Kanten des teilweise gebauten Teils ein. Der UV-Laser schreibt dann die zweitletzte Schicht und wiederholt den Prozess. Ein Vorteil dieses Bottom-up-Modus ist, dass das Bauvolumen viel größer als der Bottich selbst sein kann und nur genügend Photopolymer benötigt wird, um den Boden des Baubottichs kontinuierlich mit Photopolymer voll zu halten. Dieser Ansatz ist typisch für Desktop-SLA-Drucker, während der rechtsseitige Ansatz in industriellen Systemen üblicher ist.

Die Stereolithographie erfordert die Verwendung von Stützstrukturen, die an der Hebeplattform befestigt werden, um eine Ablenkung aufgrund der Schwerkraft zu verhindern, einem lateralen Druck von der mit Harz gefüllten Klinge zu widerstehen oder neu erzeugte Abschnitte während des „Bottich-Schaukelns“ von unten nach oben zu halten. Unterstützungen werden normalerweise automatisch bei der Erstellung von CAD-Modellen erstellt und können auch manuell erstellt werden. In beiden Fällen müssen die Träger nach dem Drucken manuell entfernt werden.

Prinzip
Ein lichthärtender (photopolymerer) Kunststoff, beispielsweise Acryl-, Epoxy- oder Vinylesterharz, wird mit einem Laser in dünnen Schichten gehärtet (Standardschichtdicke im Bereich 0,05-0,25 mm, in Mikro-Stereolithographie auch bis zu 1-μm-Schichten). Das Verfahren wird in einem Bad durchgeführt, das mit den Basismonomeren des lichtempfindlichen Harzes gefüllt ist. Nach jedem Schritt wird das Werkstück um einige Millimeter in die Flüssigkeit abgesenkt und um eine Schichtdicke in eine Position zurückgeführt, die niedriger ist als die vorherige. Der flüssige Kunststoff über dem Teil wird dann durch eine Rakel gleichmäßig verteilt. Dann fährt ein Laser, der von einem Computer durch bewegliche Spiegel gesteuert wird, auf der neuen Schicht über die zu härtenden Oberflächen. Nach dem Aushärten erfolgt der nächste Schritt, der nach und nach ein dreidimensionales Modell erzeugt.

In der Mikrostereolithographie sind keine Stützstrukturen erforderlich, und in vielen Fällen wird die Nachhärtung ebenfalls eliminiert. Bei Stereolithographieverfahren für große Bauteile ist dies anders, da das lasergehärtete Harz noch relativ weich ist und auch bestimmte Formelemente (z. B. Überhänge) während des Bauprozesses sicher fixiert werden sollen. Zu diesem Zweck werden in der Produktion auch Stützstrukturen gebaut. Nach dem Bauprozess wird die Plattform mit dem Teil (en) aus dem Container bewegt. Nach dem Ablassen des ungehärteten Harzes wird das Modell von der Plattform entfernt, von Stützstrukturen befreit, mit Lösungsmitteln gewaschen und in einem Gehäuse unter UV-Licht vollständig gehärtet.

Eine andere Methode, die auch Photopolymerisation verwendet, um physische Objekte herzustellen, ist Solid Ground Curing (SGC). Jede Schicht wird durch UV-Licht gehärtet, wobei für jede Schicht eine Lichtmaske in einem Photoplotter gedruckt werden muss. Diese Methode, die insbesondere in den Werken der Firma Cubital (Israel) eingesetzt wurde, hat in den letzten Jahren jedoch sehr an Bedeutung verloren.

Der Prozess beginnt mit einem Modell des zu fertigenden Objekts. Dieses Modell wird durch ein CAD-Programm oder durch die digitale Erfassung eines vorhandenen Objekts, das wir reproduzieren möchten, erreicht.
Das einmal gezeichnete Modell muss in einem Standardformat, dem STL-Format (für STEREOLITHOGRAPHIE), exportiert werden. Dieses Format wurde ursprünglich für die Kommunikation mit Stereolithographiegeräten entwickelt, wird jetzt aber in anderen Bereichen verwendet. Dies ist ein De-facto-Industriestandard. Dieses Format beschreibt Modelle in Form zusammenhängender dreieckiger Flächen.
Die STL-Datei wird an die Stereolithographievorrichtung übertragen, die ein PLC- oder häufiger ein PC-Typ-Steuermodul integriert.
Das Modell (in 3D) ist in Scheiben (2D) fester Dicke unterteilt. Diese Dicke wird vom Bediener gewählt und bestimmt die Auflösung der Restitution. Dieser Parameter bestimmt daher die Genauigkeit des Objekts, das erzeugt wird.
Das Objekt wird produziert.

Eigenschaften
Bestehende 3D-CAD-Daten werden in das STL-Format konvertiert. Diese Daten werden an die Anbieter von Stereolithografiediensten gesendet, die dann die möglicherweise notwendigen Unterstützungsstrukturen hinzufügen.
Nachdem die Baustelle bestimmt wurde, erfolgt die Generierung der für die Installation erforderlichen geometrischen Steuerungsdaten, das sogenannte „Slicing“.
Diese Daten werden an das Fertigungssystem gesendet und bilden die Grundlage für die Steuerung des Laserstrahls auf der Badoberfläche.
Innerhalb weniger Stunden erhalten Sie ein echtes Modell der Teile, die virtuell im CAD verfügbar sind.
Die Stereolithographie ermöglicht eine hohe Präzision (typischerweise 0,1 mm, viel weniger als 1 Mikrometer pro Schicht für RMPD) mit feinen Strukturen und dünnen Wanddicken.
Da ein Modell in einer Flüssigkeit gebaut wird, sind bei großen Bauteilen für überhängende Teile Tragstrukturen erforderlich, die entfernt werden müssen. Im Gegensatz zu anderen Rapid-Prototyping-Verfahren besteht die Stützstruktur jedoch aus dem gleichen Material wie das Bauteil und muss daher mechanisch entfernt werden (da eine Verbindung zum Bauteil nicht vermieden werden kann).
In den meisten Fällen muss das durch die Stereolithographie erzeugte Modell nach dem Entfernen aus der Maschine in einem UV-Lichtschrank gehärtet werden.

In den letzten Jahren wurden technische Entwicklungen durchgeführt, die Multi-Jet-Modellierung mit Grundprinzipien der Stereolithographie kombinieren. Als Trägermaterial dient ein Wachsmaterial, das durch Erhitzen verflüssigt wird. Die Komponente selbst wird analog zur Stereolithographie aus einem Photopolymer hergestellt. Beide Materialien werden über einen modifizierten Druckkopf (ähnlich wie bei Tintenstrahldruckern) aufgetragen. Darüber hinaus sorgt eine Lichtquelle für die Belichtung und damit für die Aushärtung des Photopolymers. Im Gegensatz zu RP-Stereolithographiesystemen können diese Systeme auch im Büro eingesetzt werden und sind mit Preisen ab rund 50.000 Euro deutlich günstiger.

Eine weitere neue technische Entwicklung ist die Continuous Liquid Interface Production (CLIP).

Bei der Zwei-Photonen-Lithographie wird ein UV-Fokus von 100 Nanometer Durchmesser bei 5 Metern pro Sekunde dreidimensional durch das Volumen des flüssigen Harzes geleitet. Es wird daher nicht ausgehend von der Oberfläche des flüssigen Harzes ausgehärtet. Damit der UV-Fokus in Ausbreitungsrichtung der Strahlung nur ein geringes Ausmaß hat, ist eine geringe Tiefenschärfe und eine große Apertur erforderlich. Da die Zweiphotonenabsorption eine quadratische Abhängigkeit von der Intensität des Lichts aufweist, ist die Härtungsfläche des Harzes scharf abgegrenzt.

Anwendung
Im Vergleich zu Modellen, die mit anderen generativen Fertigungstechniken wie dem selektiven Laserschmelzen hergestellt wurden, ist ein Stereolithographiemodell brüchig, was seine Anwendung einschränkt. Die notwendigen Stützstrukturen für Hinterschneidungen begrenzen auch die Geometrie des Bauteils. Der Stereolithographieprozess wird daher in der Produktentwicklung bei der Erstellung von Prototypen (Konzept, Geometrie, visuelle, funktionale Modelle) im Maschinenbau, insbesondere in der Automobilindustrie und in der Medizin, eingesetzt. In der direkten Herstellung von Endprodukten mit Stereolithographiegeräten (Rapid Manufacturing) wird in den nächsten Jahren ein steigender Trend erwartet. Anwendungsbeispiele, die bereits im täglichen Leben eine Rolle spielen, sind die Herstellung von Einzelfällen für Hörgeräte mittels Stereolithographie und die von microTEC hergestellten Lab-on-Chip-Systeme.

Weitere Anwendungsbeispiele sind Casting-Modelle und Architekturmodelle.

Medizinische Modellierung
Stereolithographische Modelle werden seit den 1990er Jahren in der Medizin verwendet, um genaue 3D-Modelle von verschiedenen anatomischen Regionen eines Patienten basierend auf Daten von Computerscans zu erstellen. Bei der medizinischen Modellierung wird zunächst eine CT, MRT oder ein anderer Scan erfasst. Diese Daten bestehen aus einer Reihe von Querschnittsbildern der menschlichen Anatomie. In diesen Bildern zeigen sich verschiedene Gewebe als unterschiedliche Graustufen. Durch Auswahl eines Bereichs von Grauwerten können bestimmte Gewebe isoliert werden. Ein interessierender Bereich wird dann ausgewählt und alle mit dem Zielpunkt innerhalb dieses Grauwertbereichs verbundenen Pixel werden ausgewählt. Dies ermöglicht die Auswahl eines bestimmten Organs. Dieser Prozess wird als Segmentierung bezeichnet. Die segmentierten Daten können dann in ein Format übertragen werden, das für die Stereolithographie geeignet ist. Während die Stereolithographie normalerweise genau ist, hängt die Genauigkeit eines medizinischen Modells von vielen Faktoren ab, insbesondere von dem Operator, der die Segmentierung korrekt durchführt. Bei der Erstellung von medizinischen Modellen mit Stereolithographie sind mögliche Fehler möglich, die jedoch durch Übung und gut ausgebildete Bediener vermieden werden können.

Stereolithographische Modelle werden als Hilfe bei der Diagnose, der präoperativen Planung und der Implantatkonstruktion und -herstellung verwendet. Dies kann zum Beispiel Osteotomien planen und proben. Chirurgen verwenden Modelle, um Operationen zu planen, aber auch Prothetiker und Technologen verwenden Modelle als Hilfe bei der Entwicklung und Herstellung von passgenauen Implantaten. Zum Beispiel können medizinische Modelle, die durch Stereolithographie erzeugt wurden, verwendet werden, um beim Aufbau von Cranioplasty-Platten zu helfen.

Prototyping
Stereolithographie wird oft für Prototyping-Teile verwendet. Für einen relativ niedrigen Preis kann Stereolithographie genaue Prototypen, sogar von unregelmäßigen Formen, produzieren. Unternehmen können diese Prototypen verwenden, um das Design ihres Produkts zu bewerten oder um das Endprodukt zu bewerben.

Vorteile und Nachteile

Vorteile
Einer der Vorteile der Stereolithographie ist ihre Geschwindigkeit; Funktionsteile können innerhalb eines Tages hergestellt werden. Die Länge der Zeit, die benötigt wird, um ein einzelnes Teil herzustellen, hängt von der Komplexität des Designs und der Größe ab. Die Druckdauer kann von Stunden bis zu mehr als einem Tag betragen. Prototypen und Designs, die mit Stereolithographie hergestellt wurden, sind stark genug, um maschinell bearbeitet zu werden und können auch verwendet werden, um Mastermuster für das Spritzgießen oder verschiedene Metallgießverfahren herzustellen.

Nachteile
Obwohl Stereolithographie verwendet werden kann, um praktisch jedes synthetische Design zu erzeugen, ist es oft teuer; übliche Photopolymere können etwa US $ 800 pro Gallone kosten und SLA-Maschinen können US $ 250.000 kosten. Seit 2012 hat das öffentliche Interesse am 3D-Druck jedoch das Design mehrerer Consumer-SLA-Maschinen inspiriert, die 3.500 US-Dollar oder weniger kosten können, wie das Form 2 von Formlabs oder das Nobel 1.0 von XYZPrinting.

Die verschiedenen Arten der Stereolithographie
Mehrere Techniken werden verwendet, um die Prototypen schnell zu produzieren.

Es sollte jetzt angemerkt werden, dass die Grenze zum 3D-Druck so weit überschritten wird, dass die beiden Technologien in einem sehr diversifizierten Set zusammenlaufen.

Lichthärtung (ALS)

Methode
Die Härtung ist das erste Rapid-Prototyping-Verfahren, das 1980 im SLA-Namen (für Stereolithography Apparatus) entwickelt wurde. Es basiert auf den Eigenschaften bestimmter Harze, um unter der Einwirkung von Licht und Wärme zu polymerisieren.

Das verwendete Harz ist im allgemeinen eine Mischung aus Acrylat- oder Epoxy-Monomeren und einem Photoinitiator. Die Rolle des Photoinitiators ist, wie der Name sagt, die Polymerisation des Materials unter der Einwirkung von Licht.

Bei diesem Prozess wird eine mobile Plattform in einen Tank mit flüssigem Harz getaucht. Diese Plattform unterstützt das zu fertigende Modell. Die Plattform ist in einer Tiefe H unter der Höhe des Harzes positioniert. Ein fester Laser und ein Strahlsteuergerät überragen die Plattform. Die Steuerung der Strahlrichtung wird unter Verwendung von Deflektoren durchgeführt, die sehr genaue Spiegel (sehr flach) sind, die auf Galvanometern montiert sind. Die Verwendung von zwei dieser Steuervorrichtungen ermöglicht es, den Strahl an jeder Stelle der Plattform zu lenken.

Die Scheiben, die das Modell bilden, werden dann nacheinander bearbeitet: Der Laserstrahl streicht die Oberfläche des flüssigen Harzes entsprechend der Form der Scheibe, die durch den Computer definiert ist.

Unter Lichteinwirkung bildet der Photoinitiator ein Radikal, und die Monomere werden sofort miteinander verbrückt, wobei sie ein festes Polymer bilden.

Die Plattform steigt dann von einer Höhe h ab (Die Höhe h ist die Auflösung, die für die Herstellung des Objekts gewählt wurde) und der Prozess wird für jede Scheibe erneuert. Die so erzeugten zweidimensionalen Objekte werden überlagert, um die vollständige Struktur zu erzeugen.

Sobald das Modell fertiggestellt ist, wird es aus dem Tank entfernt, und die unpolymerisierte Mischung wird in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst.

Der letzte Schritt besteht oft darin, das Objekt zu backen, um es zu härten, abhängig von dem verwendeten Harz.

Einschränkungen und Vorteile
Problem von „eingeschlossenen Volumina“. Das Prinzip besteht darin, aufeinanderfolgende Schichten von Materie zu überlagern; das in den nicht verfestigten Zonen vorhandene Material wird nicht eliminiert und bleibt daher im Modell vorhanden. Wenn es ein hermetisch verschlossenes Volumen ist, wird das Material „gefangen“ genannt. Beispiel: das Modellieren einer Eierschale.
Vorteil: Fortschritte in der Technologie ermöglichen es nun, in hoher Auflösung zu arbeiten und komplexe Objekte mit sehr dünnen Teilen (0,005 mm) in weniger als 24 Stunden herzustellen. 3D-Laser-Mikrodruckmaschinen, die seit Beginn des Jahrzehnts entwickelt wurden, ermöglichen dank des Stereolithographie-Prozesses „Polymerisation mit zwei Photonen“ auch eine bis zu 100-fach höhere Auflösung (<0,1 μm). Verwendet Lange Zeit war diese Methode wegen der Zerbrechlichkeit von Objekten, die aufgrund ihrer geringen mechanischen Festigkeit als solche unbrauchbar sind, der Herstellung von Prototypen vorbehalten: Sie werden für die Herstellung von Formen verwendet. In den frühen 2000er Jahren ermöglichte es die von M. Chhartier (SPCTS) geleitete Arbeit, mit dieser Methode keramische Teile herzustellen, indem keramische Pulver (Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Hydroxylapatit usw.) mit einer Paste aus lichtempfindlichem Harz gemischt wurden. Die einmal isolierte Suspension bildet ein Polymernetzwerk, das die Mineralpartikel abfängt. Nach der Polymerisation durch Laser ermöglicht eine Wärmebehandlung (Entbinderung und anschließende Sinterung) des Gegenstandes, eine dichte Keramik zu erhalten. Anwendungsbereiche: Die Eigenschaften der Keramiken, die durch diese Technik erhalten werden, entsprechen den traditionellen Verfahren (Gießen, Pressen ...), die Objekte sind daher als solche verwendbar. Gießereimodelle, Prototypen für die Formvalidierung, medizinische Prothesen, kleine Serien von sehr komplexen Formen für alle Arten von Industrien ... In der Paläontologie erlaubt es diese Technik, aus konventionellen CT- oder Mikro-CT-Scans feine und unzugängliche Strukturen zu rekonstruieren und zu untersuchen (Insekten im Bernstein, Knochenlabyrinth des Innenohrs). Diese Technik ermöglicht besonders große Vergrößerungen für den Maßstabswechsel.