Stereolithographie

1 Allgemeines

Rapid- Prototyping- Verfahren sind modernste Hilfsmittel für Muster- bzw. Prototypherstellung, die einen Modellbau direkt aus CAD- Daten in sehr kurzer Zeit mittels bestimmter automatisierter Verfahren ermöglichen. Rapid Prototyping kann die Qualität von auf den Markt kommenden Produkten verbessern, bei gleichzeitig kürzeren Entwicklungszeiten sowie geringeren Kosten.

Abbildung 1: Übersicht über Verfahren zur Prototypenherstellung

2 Stereolithographie

Der Begriff Stereolithographie bezeichnet ein Urformverfahren für die direkte Herstellung von KStoff- Formteilen anhand von CAD- Geometriedaten. Die Stereolithographie eignet sich insbesondere für die automatisierte Erzeugung von Mustern und Prototypen für die unmittelbare Verwendung als Anschauungsobjekt oder als Urmodell für die Anwendung von Folgetechniken.

Der Entwicklungsstand von drei sehr unterschiedlichen Technologien, der computer- unterstützten Konstruktion (CAD), der Lasertechnik und der Photopolymerisation eröffnete diese neue Fertigungstechnik. Die Stereolithographie bietet seit einigen Jahren die Möglichkeit, Prototypen schnell und vergleichsweise preiswert herzustellen.

Da bestimmte reaktive Monomere durch aktivierte Lichtreaktionen polymerisieren, kann man geeignete flüssige Photopolymere mittels UV- Laserlicht örtlich aushärten. Dazu muss ein Laserstrahl fokussiert und räumlich so geführt werden, dass er auf der Oberfläche eines flüssigen Photopolymeren die Umrisse eines durch CAD festgelegten Modells schichtweise aushärtet. Innerhalb von Stunden entsteht ein Musterteil ohne Einsatz von formgebenden Werkzeugen oder Maschinen.

2.1 Historisches

Die Geschichte der Stereolithographie ist noch keine 15 Jahre alt. 1982 Chuck Hull entwickelte das Konzept des "3- dimensionalen Druckens" während seiner Zeit als Vizepräsident der UVP Inc., einer Firma, die sich auf die Anwendung von UV- Technologien spezialisiert hatte. Eine dieser Applikationen war die Entwicklung von UV- Beschichtungen für die Druckindustrie, wobei Photopolymere im Zuge des Prozesses zu dünnen Folien aus verarbeitet wurden. Hull kam dabei zu der Erkenntnis, dass das sukzessive Anwenden diese Prozesses letzten Endes zu einem 3- dimensionalen Objekt führt, indem einfach einzelne Schichten übereinandergelegt werden. Nach einer zweijährigen Entwicklungszeit kam es zur ersten Patenterteilung. Im Jahre 1986 erhielt UVP das Patent für den Prozeß selbst, quasi die Geburtsstunde der Stereolithographie. Der Name Stereolithography wurde aufgrund eines Versehens jedoch nicht markengeschützt. Hull ist heute Präsident seiner eigenen Firma, der 3D- Systems Inc. In Valencia, Kalifornien.

Erst 1988 wurde die Stereolithographie in Europa vorgestellt.

2.2 Verfahrensprinzip

Bei der Stereolithographie wird das KStoff- Formteil auf Basis eines geeigneten CAD- Geometriedatensatzes aus einem flüssigem Photopolymer durch Aushärtung unter UV- Licht aufgebaut. Je nach Verfahren erfolgt die UV- Belichtung für die örtlich begrenzte Aushärtung entweder punktförmig mittels gesteuertem Laserstrahl, oder flächig unter Verwendung optischer Masken.

Der Verfahrensablauf gliedert sich im wesentlichen in die Erzeugung und Aufbereitung der Geomteriedaten und den schichtweisen stereolithographischen Aufbau des Formteils. Der Ablauf umfaßt im einzelnen folgende Schritte, die sich in ein 10- Stufen- Prozeß einteilen lassen.

Abbildung 2: Stereolithographie in einem 10- Stufen- Prozeß

3 Stereolithographie- Anlagen

3.1 Punktförmige Belichtung mit dem Laserstrahl

3.1.1 SLA- Verfahren

Die Stereolithographie- Anlage, wie die Abbildung 3 zeigt, besteht aus einem UV- Laser, einem optischen Scanner, einem Mikroprozessor zur Systemsteuerung, der Betriebssoftware und dem Photopolymerbehälter einschließlich der Arbeitsplattform in der Kammer für den Lichthärteprozeß.

Abbildung 3: Elemente einer SLA

3.1.1.1 Laser

Für die Aufgabe, das flüssige Kunstharz zu härten, ist das Laserlicht prädestiniert. Als Laser werden Helium- Cadmium- Laser oder Argon- Ionen- Laser verwendet. Der Helium- Cadmium- Laser hat als Ultraviolettlicht (Wellenlänge l £ 400 nm) einen besonders hohen Wirkungsgrad gerade in dem für die verwendeten Polymere optimalen Wellenlängenbereich. Die Scangeschwindigkeit der Laser lassen in der Stereolitthographie bis zu 10 m/s zu.

Abbildung 4: Prinzip eines Helium- Cadmium- Lasers

3.1.1.2 Strahlenführungssystem

Das optische Strahlenführungssystem besteht aus einer Blende, zwei Umlenkspiegeln, die im Winkel von 90 Grad zueinander stehen, dazwischen einen Strahlenexpander, der den Lichtstrahl verstärkt und einem Scanner, der als dynamischer Spiegel den Laserstrahl in X- und Y- Richtung führt. Durch ein optisches Fenster ist das Strahlenführungssystem von der Prozesskammer getrennt.

Abbildung 5: optische Strahlenführung einer SLA

3.1.1.3 Prozeßkammer

In der Prozeßkammer befindet sich der Polymerbehälter, das Beschichtungssystem, die Niveaukontrolle und die Z- gesteuerte Plattform. Während der Fertigung eines Modells überwacht die Steuerung den X- Y- Scanner, die Bewegung der Plattform in Z- Richtung, das Beschichtungssystem und die Niveaukontroll- Einrichtung.

Zu Beginn des Aufbaues eines Modells wird die Plattform mit der Lochplatte unter die Oberfläche des flüssigen Harzes positioniert. Der X- Y- Laserstrahl bildet dann die Konturen des ersten Querschnitts entsprechend dem im Slice- Computer generierten Vektormuster im flüssigen Monomer, das unter Einfluß des UV- Laserlichtes auspolymerisiert. Das wirkt sich an der Oberfläche so aus, dass kleine Kreisflächen belichtet und in Form von auf der Spitze stehenden Kegeln photopolymerisiert werden, und somit mit der darunterliegenden Schicht verbunden wird.

Nach Aushärten des ersten Querschnitts wird die Trägerplatte um die gewählte Schichtdicke (0,05 - 0,07) abgesenkt. Mit einem Rakel (Beschichtungssystem) wird die Oberfläche des flüssigen Monomers egalisiert und der nächste Querschnitt durch den Laserstrahl abgebildet. Auf diese Weise wird das Modell von unten nach oben, Schicht für Schicht, aufgebaut.

Ist der letzte Querschnitt hergestellt, wird das Modell samt Trägerplatte entnommen und für etwa 90 Minuten in den Nachvernetzungsschrank (UV- Ofen) zum vollständigen Aushärten gebracht. Nach der Abnahme von der Lochplatte und Entfernen der Stützkonstruktion ist das Modell fertig. Je nach Anforderung können noch verschiedene mechanische Nachbearbeitungen folgen, bis hin zum Polieren und Lackieren.

Mit Hilfe der Stereolithographie kann von einem CAD- konstruierten Teil nicht nur ein einziges Modellstück gebaut werden, es können, in Abhängigkeit von der Teilgröße und der Trägerplattform, mehrere in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Es sind auch - ohne Änderung der CAD- Files Vergrößerungen oder Verkleinerungen sowie Anfertigungen von spiegelbildlichen Teilen möglich.

Abbildung 6: Prinzip der Stereolithographie

3.1.2 Soup- Verfahren

Das von der Mitsubishi- Tochter Cmet hergestellte RP- System Soup (Solid Optical UV- Plotter) arbeitet auch mit punktueller Belichtung, allerdings mit dem wesentlichen Unterschied in der Scanmethode, dass der Laserstrahl von einem X- Y- Plotter geführt wird. Diese Methode ist zwar langsamer, hat jedoch den Vorteil, dass der Laserstrahl an allen Orten senkrecht auf das Photopolymer trifft und keine zusätzlich Maßnahme für eine Nachfokussierung infolge der Strahlauslenkung ergriffen werden muss.

3.1.3 Colamm- Verfahren

Dieses von Mitsui entwickelte Colamm- Verfahren (Computer Operated Laser Active Modelling Machine) zeigt verfahrenstechnisch eine interessante Variante: Der mit einem Scannerspiegel gesteuerte HeCd- Laser belichtet das Harz von unten durch eine UV- transmittierende Scheibe hindurch. Somit können Stützkonstruktionen für das Bauteil weitgehend entfallen.

3.2 Flächige Belichtung mit Masken

3.2.1 LSI- Verfahren

(Light- Sculpforming- Inc.)

Wird die Photopolymer- Oberfläche durch paralleles UV- Licht belichtet, so erfolgt das Aushärten einer ganzen Schicht gleichzeitig, und der aufwendige Prozeß der X- Y- Steuerung des Laserstrahls kann entfallen. Voraussetzung dafür ist allerdings die phototechnische Herstellung einer Maske für jede Schicht des aufzubauenden Formteils. Diese Maske kann unter der Verwendung der CAD- Geometriedaten nach dem Funktionsprinzip eines Photokopierers erzeugt werden.

Abbildung 7: LSI- Verfahren

3.2.2 SGC- Verfahren

Bei den sogenannten Solid- Ground Curling- Verfahren (Soliderverfahren) wird jede

UV- lichtgehärtete Schicht umgehend mit Wachs eingebettet, das nach Beendigung des Formbildungsprozesses herausgelöst wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Stabilisierung der erzeugten Formteilbereiche, und es kann auf umständliche Stützkonstruktionen verzichtet werden. Es können auch problemlos ineinander verschachtelte und zueinander bewegliche Formteilelemente erzeugt werden.

Abbildung 8: Solider- Verfahren

3.3 Übersicht über Verfahren zur Prototypenherstellung

4 Photopolymere

4.1 Allgemeines

In der Stereolithographie werden heute hochvernetzte kationische Polymere eingesetzt. Diese Materialien zählen zur Gruppe der Acrylester und sind duroplastisch, unlöslich und sauerstoffunempfindlich. Je nach Ausgangsharz bekommt man hochfeste, steife, schlagzähe, elastische schmelzbare oder veraschbare Modellteile. Beispiele dazu mit Angaben der Eigenschaften in der nachfolgenden Tabelle:

Gegenüberstellung der STL- Harze XB 5081 und XB 5134 im ausgehärteten Zustand:

Eigenschaft

Einheit

XB 5081 (steif)

XB 5134 (elastisch)

Elastizitätsmodul

N/mm2

2500...3500

600...900

Zugfestigkeit

N/mm2

50..70

20...40

Bruchdehnung

%

2...3

10...15

Schlagzähigkeit

kJ/m2

3

10

Härte

Shore D

90

75...80

Glasübergangstemperatur

°C

130...150

70...80

Der große Vorteil bei der Anwendung von Acrylaten als Photopolymer ist die schnelle Polymerisation. Trotz der oben erwähnten vielfältigen Möglichkeiten der Eigenschaften schränken diese Harze die funktionelle Anwendung der Prototypen ein.

Ein Nachteil der acrylfunktionellen Photopolymere ist der relativ hohe Volumensschwund

infolge der Polymerisation, der die Maß- und Formgenauigkeit der Bauteile durch die beim Aufbauprozeß entstehenden inneren Spannungen beeinträchtigt. Diesem durch Schwund hervorgerufenen Verzug wirken immer besser werdende Belichtungsstrategien entgegen.

Unter Belichtungsstrategie versteht man die Anordnung der Spuren, mit denen der Laser die Querschnittkonturen des Modells auf die Harzoberfläche überträgt. Ein Ziel der Materialentwicklung sind schwundarme Acrylharzsysteme mit gleichzeitig verbesserten mechanischen Eigenschaften. Dies leistet einen Beitrag zur breiten Nutzung der Prototypen.

Alternativ zu Acrylsystemen kommen vereinzelt kationische Formulierungen auf Epoxidharz- Basis zur Anwendung (CMET; 3D- Systems "Quick Cast"- Harz), die einen geringeren Volumensschwund, allerdings auch eine geringere Polymerisationsgeschwindigkeit und deswegen eine geringere Maschinen- Produktivität aufweisen.

4.2 Monomere

4.2.1 Acrylsre.ester

Abbildung 9: Propensre.ester, Acrylsre.ester, Acrylat

Die Ester der Acrylsäure sind die technisch wichtigste Gruppe der Acrylsäure- Verbindungen.

Anmerkung: Sre. + Alkohol ó Ester + Wasser

Welche Alkoholole werden mit Acrylsäure verestert: Methanol, Ethanol, Butanol, i- Butanol, Ethylhexanol, etc.

Die auffallendste Eigenschaft aller Acrylester ist ihre Polymerisationsfreudigkeit.

4.2.2 Methylmethacrylat

Abbildung 10: Methylmethacrylat

4.3 Herstellung der Monomere + technische Herstellung

siehe Referatnr.1: "Acryl- und Methacrylsre.- haltige Polymere und deren Abwandlungen", Autor: Norbert Sauer (3AKK, 96/97)

4.4 Polymerisation

siehe Referatnr.1: "Acryl- und Methacrylsre.- haltige Polymere und deren Abwandlungen", Autor: Norbert Sauer (3AKK, 96/97)

Die Polymethacrylat- bzw. Acrylarharze müssen neben den Monomeren, die zu thermoplastischen Produkten führen, für die Herstellung der duroplastischen Formteile noch Vernetzer in Form von mehrfunktionellen Estern enthalten. Die mehrfunktionellen Monomere bzw. Prepolymeren ergeben die duroplastischen Eigenschaften.

Das heißt, man erzeugt zunächst das thermoplastische oder plastisch flüssige Vorprodukt geringer Molmasse (Prepolymeres), das dann durch Zusatz von weiteren reaktionsfähigen Molekülen vernetzt wird.

Acrylatpolymerisation (in Gegenwart eines radikalbildenden Photoinitiators):

R1R1

ê ê

n CH2=C¾CO¾X ¬® ¾CH2¾C¾¾¾¾

ê

CO¾X n

X = OR2oder NHR3R1 = H oder CH3

4.5 Photoinitiatoren

Die UV- Strahlung wird von den organischen Molekülen absorbiert, und erzeugt einen angeregten Zustand des Moleküls. Die Energie kann einfach wieder abgegeben werden oder das Molekül in Radikale spalten. In ungesättigten Oligomer- und Monomerverbindungen können UV- Strahlen absorbiert werden und angeregte Molekülzustände bilden. Die Reaktionsrate ist jedoch sehr klein und eine Radikalbildung zu langsam. Somit kann eine Polymerisation nur uneffektiv ausgelöst werden. Es ist deshalb notwendig, photochemisch reaktive Moleküle den Harzsystemen zuzusetzen, die die Polymerisation durch Bildung von genügend Starterreadikalen in Gang setzen.

UV- vernetzbare Acrylatharze müssen einen radikalbildenden Photoinitiator enthalten.

Die Auswahl des einzelnen Photoinitiators hängt von mehreren Parametern ab und muss auf das jeweilige System abgestimmt werden. Die Auswahl erfolgt nach Härtungsgeschwindigkeit, Löslichkeit im verwendetem Prepolymer und den Verarbeitungseinrichtungen.

Beispiele:

Benzoin und seine Derivate

O H O H

ê ê ê ê ê ê

¾C¾C¾ ¬® ¾C • + • C ¾

ê ê

OH OH

Benzoin = 2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon

Benzilketale

Das angeregte Benzilketalmolekül zerfällt durch Spaltung in ein Benzoyl- und ein Dialkylloxybenzylradikal. Das letztere Radikal kann weiter zerfallen unter Bildung von Benzoesre.alkyllester und einem Alkylradikal.

O OR O OR O

ê ê ê ê ê ê ê ê

C6H5¾C¾C¾C6H5 ¬® C6H5¾C • + • C¾ C6H5 ¬® C6H5¾C¾OR + •R

ê ê

OR OR

Hydroxyalkylphenone

Dialkoxyacetophenone

5 Einsatzbereiche

Stereolithographisch hergestellte Formteile finden vorzugsweise als Muster oder Prototypen in verschiedenen Branchen Anwendung wie beispielsweise in

Elektronik, Elektrotechnik Maschinenbau Fahrzeug- und Automobiltechnik Medizintechnik Design von Konsum- und Luxusgütern Graphik und Architektur usw.

Weiters verkürzt die Stereolithographie die Produktentwicklungszeit beträchtlich und hilft mit, Produktfehler bereits in einer frühen Phase zu vermeiden.

Aufteilung der Anwendungsgebiete der Stereolithographie in den USA 1991:

5.1 Stereolithographie in der Werkzeugtechnik

Photopolymere erscheinen zunächst wegen ihrer niedrigen Glastemperatur ungeeignet für stereolithographisch erstellte Kavitäten. Der Werkzeugeinsatz muss allerdings nicht die Temperatur des eingespritzten Thermoplastmaterials erreichen. Als Hinterfüllmaterial für Kavitätsschalen kommen aluminiumgefüllte Gießharze in Frage, die man auch für reine Gießharzeinsätze verwendet. Bei Versuchen mit solchen Werkzeugen wurden bei durchschnittlichen Verarbeitungsbedingungen (Spritzdruck 1000 bar, Verarbeitungstemperatur 230°C, Zykluszeit 5 min) und Probeumfang von 100 Stück keine Verschleißerscheinungen festgestellt.

Dieses Anwendungsbeispiel für Rapid Tooling verdeutlicht die noch zu erwartenden Potentiale dieser neuen Technologie. Neben dem Vorteil, dass selbst nahezu unmögliche Geometrien realisierbar sind besticht die Möglichkeit einer bedeutenden Zeitersparnis.

5.2 Stereolithographie in der Medizin

Die Medizin ist ein wichtiger Anwendungsbereich für die Stereolithographie (STL). Dreidimensionale Modelle zur Unterstützung des räumlichen Vorstellungsvermögens sind in der Medizin überall gefragt, wo:

eine Diagnose von inneren Abläufen und Gegebenheiten gestellt, komplizierte Operationen geplant, Prothesen und Implantate exakt angepaßt und Gesamtergebnisse von plastischen Eingriffen abgeschätzt werden müssen

Die für die STL nötigen Ausgangsdaten bekommt man in den medizinischen Anwendungen aus der Computertomographie, Ultraschall und Kernspintomographie. Die an den verwendeten Werkstoff gerichteten Eigenschaften sind hauptsächlich Sterilisierbarkeit, Bearbeitbarkeit und die Herstellung von Hohlräumen und dünnen Wandungen.

Als Material dafür werden seit einiger Zeit Epoxidharze eingesetzt, die gegenüber der herkömmliche Werkstoffgruppe der Acrylate den Vorteil der genaueren Modellierbarkeit und des geringeren Verzugsverhalten bieten, allerdings auch längere Bauzeit aufweisen.

6 Entwicklungstendenzen

Im Rahmen der weiteren Verfahrensentwicklung ist für die Stereolithographie noch ein großes Entwicklungspotential vorhanden. Verbesserungen sind in folgenden Bereichen zu erwarten:

niedrigviskosere Harze, dadurch schnellere Einstellung eines ebenen Harzspiegels und somit geringere Nebenzeiten und geringere Gefahr von Welligkeit auf der Oberfläche, bessere mechanische Eigenschaften des ausgehärteten Teiles: fest aber nicht spröde, höhere Maß- und Formgenauigkeit, geringere Schrumpfung und Verzug: andere Prozeßführung, anderes Harzkonzept wie zum Beispiel Epoxide, Tendenz zu dünneren Schichten, bedingt aber dünnflüssigere Harze, hohe Anforderung an Wischergenauigkeit und Aufzugspositionierung, geringere Toxizität der Harze.

Weiters rechnet man, dass in Zukunft die Anwender der STL die Wahl zwischen verschiedenen Materialien haben werden. Dabei braucht man nur mehr den Polymerbehälter auszutauschen, um rasch das jeweils optimale Kunstharz zur Verfügung zu haben.

Das vorerst primäre Endziel der Maschinenhersteller ist es, eine Stereolithographie- Anlage entwickeln, die ähnlich (einfach) wie eine Xerox- Maschine arbeitet.

Ein großes Potential für die stereolithographiesche Anwendungen besteht in der Möglichkeit, Gradientenbauteile zu generieren. Mit der gezielten Dosierung der UV- Strahlung lassen sich so die mechanischen und thermischen Eigenschaften lokal in gewissen Grenzen variieren. Ein weiterer Trend ist die direkte Nutzung der SLA- Bauteile für den Feingießprozeß, der eine Abformung in metallische Teile ermöglicht.

7 Literaturverzeichnis

div. Autoren: Aktuelle Trends bei RP und RT

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div. Autoren: Rapid Prototyping

Kunststoffe 83 (1993) 12, Seite 949 - 955

Carl Hanser Verlag München Wien

L. Bottenbruch: Kstoffhandbuch - Band 10: Duroplaste

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E. Brandau: Duroplastwerkstoffe - Technologie, Prüfung, Anwendung

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D. Santek, I. Duretek: Rapid Prototyping

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Verlag Lorenz

C. Goetzloff: Stereolithographie

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R. Hillisch: StereoLithographie

Österr. Kunststoff-Zeitschrift 22 (1991) 7/8, Seite 196 - 200

Verlag Lorenz

G. Menges: Werkstoffkunde KStoffe

3. Auflage

Carl Hanser Verlag München Wien, 1990

Neue Konstruktionsmöglichkeiten mit Kstoffen

Band 5

Verlag WEKA 1994

Römpp Chemie Lexikon

Auflage

Georg Thiem Verlag, 1992

H. Saechtling: KStoff Taschenbuch

24. Ausgabe

Carl Hanser Verlag München Wien, 1989

N. Sauer: Acryl- und Methacrylsre.- haltige Polymere und deren Abwandlungen

Referat Nr.:1, 3AKK, 96/97

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