Das additive Fertigungsverfahren „Stereolithographie“ im Überblick

Was ist Stereolithographie?

Bei der Stereolithographie, kurz STL oder auch SLA, handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren respektive ein technisches Produktionsprinzip, das dem Rapid Prototyping beziehungsweise Rapid Manufactoring zuzuordnen ist. Die sprechende Bezeichnung stammt etymologisch aus dem Altgriechischen und setzt sich zutreffenderweise aus den drei altertümlichen Begriffen stereo, lithos sowie graphein zusammen. Während stereo zu Deutsch schlicht fest beziehungsweise körperlich bedeutet, kann lithos mit Stein und graphein mit schreiben übersetzt werden. Im Detail impliziert die Stereolithographie also das schrittweise Erstellen eines körperlichen Gegenstandes aus einem festen Material, was prinzipiell zutreffend ist, wenngleich der Ausgangswerkstoff in flüssiger Form vorliegt. Pate für diesen modernen Begriff der Verfahrenstechnik scheint unverkennbar die Bildhauerei des Altertums gewesen zu sein, denn auch die Werkstücke, die im Rahmen der modernen Stereolithographie geschaffen werden, entstehen ebenso schichtweise im freien Raum, wie die Marmorskulpturen im antiken Griechenland.

In der Moderne geht die Fertigung jedoch vollautomatisch vonstatten und basiert auf den Informationen aus 3D-CAD-Dateien, mit deren Hilfe computergesteuerte Anlagen dazu in der Lage sind, Modelldaten autonom in plastische Werkstücke umzusetzen. Charakteristisch für die Stereolithographie ist der Einsatz von flüssigen Photopolymerharzen, die unter dem Einsatz von UV-Licht polymerisieren. Im Zuge des Produktionsprozesses werden die aus den CAD-Dateien stammenden Steuerinformationen durch einen UV-Laser umgesetzt, der den Kunststoff Schicht für Schicht präzise belichtet. Die verwendeten Harze härten an den belichteten Stellen durch die Strahlungsenergie des Lasers im Rahmen der Polymerisation aus, sodass die entsprechenden Werkstücke schichtweise Gestalt annehmen. Nach der abschließenden Nachhärtung können die so gefertigten Bauteile schließlich nach Belieben weiterverarbeitet werden. Von anderen Flüssigmaterialverfahren wie dem Digital Light Processing (DLP) grenzt sich die Stereolithographie in erster Linie dadurch ab, dass ein reales Bild auf optischem Wege abgebildet wird.

Die Erfolgsgeschichte von SLA

Photosensitive Materialien, zu denen auch die im Rahmen der Stereolithographie verwendeten Photopolymerharzen gehören, waren sowohl den alten Ägyptern als auch den Alchemisten des Mittelalters bekannt, wenngleich die mit den Materialien in Verbindung stehenden Effekte der Hitzestrahlung der Sonne und nicht dem UV-Licht des Himmelskörpers zugeschrieben wurden. Auch wenn die Wurzeln der Stereolithographie somit streng genommen bis in die Antike zurückreichen, sollte es bis in das 19. Jahrhundert hinein dauern, bis der Franzose Joseph Nicéphore Niépce mit der Erfindung der Heliographie im Jahr 1822 den Grundstein für die moderne Wissenschaft im Bereich der photosensitiven Materialien legen sollte. Bis entsprechende Materialien in der Fertigung konkreter Bauteile eine nennenswerte Rolle spielen sollten, vergingen allerdings weitere 160 Jahre, bis das US-Unternehmen UVP Inc., das sich auf die Anwendung von UV-Technologien spezialisiert hatte, das Fundament für die moderne Stereolithographie schuf. Chuck Hall, der damalige Vize-Präsident des heute noch im US-Bundesstaat Kalifornien ansässigen Unternehmens befasste sich damals unter anderem mit der Entwicklung von UV-Beschichtungen für die Druckindustrie, wobei uv-empfindliche Photopolymere zu dünnen Folien verarbeitet wurden. Im Rahmen seiner Tätigkeit begann der spätere Gründer des weltweit größten Herstellers von 3D-Druck-Anlagen 3D-Systems mit den Folien zu experimentieren und erkannte, dass das schichtweise Übereinanderlagern der Folien im Zuge der zugrundeliegenden Produktionsprozesse zur Entstehung dreidimensionaler Objekte führt.

Aufbauend auf seinen Erkenntnissen konstruierte Hall im Jahr 1983 eine erste Versuchsanlage, womit er ganz allgemein die Basis für das Rapid Prototyping schuf. Ein erstes Patent folge bereits nach zweijähriger Entwicklungszeit. Die Geburtsstunde der Stereolithographie sollte für ihren Erfinder Chuck Hall allerdings offiziell erst im Jahr 1986 mit der Patentierung des Verfahrens durch UVP Inc. schlagen. Die vielversprechende Technologie etablierte sich in den Fachkrisen der USA schneller als zunächst angenommen, sodass sie bereits 1988 in Stuttgart ihre Europapremiere feiern konnte. Das SLA-Verfahren ist seither das bis dato am längsten im praktischen Einsatz befindliche 3D-Druck-Verfahren, sodass man in der Branche auf den daraus resultierenden Erfahrungswerten aufbauen und die Technologie stetig fortentwickeln konnte. Speziell in den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschungsarbeit auf die technische Optimierung der Fertigungsanlagen hinsichtlich der Fertigungspräzision sowie auf die Entwicklung neuer Werkstoffe, die sich in erster Linie durch Elastizität und Zugfestigkeit auszeichnen. Hinsichtlich der evolutionären Entwicklung immer präziserer Anlagen respektive Verfahrenstechniken im Rahmen der Stereolithographie stellt die Mikrostereolithographie, die vor allem in der Medizintechnik zum Einsatz kommt, derzeit die Spitze der technologischen Entwicklung dar.

Zentraler Vorteil des Einsatzes des Stereolithographie-Verfahrens

Die Entwicklung der Stereolithographie reicht also bis in die Antike zurück, konnte jedoch erst in der Moderne durch die Entwicklung neuartiger Kunststoffe nachhaltig an Fahrt aufnahmen. Heute ermöglicht das additive Fertigungsverfahren unter Zuhilfenahme von photosensitiven Kunststoffen damit die schnelle und dabei äußerst präzise Fertigung von Bauteilen und Gussteilvorlagen, die mit konventionellen Techniken gar nicht oder nur unter erheblichem Mehraufwand in die Tat umgesetzt werden könnten. Ein großer Trumpf ist dabei zudem die Möglichkeit, das Verfahren vollständig automatisiert ablaufen zu lassen, sodass ein 24-Stunden-Betrieb ohne zusätzliche Überwachung praktizierbar ist.

Wie funktioniert das Stereolithographie-Verfahren?

Grundsätzlich handelt es sich bei der klassischen Stereolithographie im ein zweistufiges Verfahren, das sich aus der eigentlichen Produktion des Werkstücks sowie dem darauf folgenden Härten zusammensetzt. Bevor allerdings überhaupt ein Werkstück gefertigt werden kann, muss dieses zunächst mit Hilfe der entsprechenden 3D-CAD-Software am Computer erstellt und in ein entsprechendes STL-Format konvertiert werden. Anschließend wird der Datensatz an einen mit der Fertigung beauftragten Stereolithographie-Dienstleister übermittelt. Vor Ort erfolgt zunächst die in der Regel vollautomatische Konzeptionierung einer Stützkonstruktion, die im Rahmen dieses Verfahrens für die Fertigung von Überhängen und Hohlräumen mitunter notwendig ist, damit diese überhaupt realisiert werden können. In einem weiteren Schritt wird das digitalisierte Werkstück in horizontale Querschnitte zerlegt, deren Dicke in der Regel zwischen 0,05 mm und 0,25 mm auf Basis der gegebenen Ansprüche frei gewählt werden kann. Die Querschnittsdicke, die im Fall der Mikrostereolithographie auf bis zu 0,001 mm reduziert werden kann, ist über die gesamte Teilegeometrie allerdings variabel, womit eine höchstmögliche Flexibilität gegeben ist. Nach der Fertigstellung des sogenannten Slicens, im Zuge dessen auch die Lage des betreffenden Bauteils auf der Bauplatte bestimmt wird, erfolgt die Übermittlung der Steuerungsdaten an die Produktionsanlage.

stereolithographie cad stl konstruktion

Das Werkstück entsteht letztlich in einem Bad aus flüssigem Kunststoff, das sich aus den Basismonomeren des jeweils verwendeten uv-empfindlichen Kunststoffes wie zum Beispiel Epoxidharz oder Acrylat zusammensetzt. Der punktgenaue Strahl eines UV-Lasers härtet die Geometrie des Bauteils nebst der Stützkonstruktion Schicht für Schicht, wobei der flüssige Kunststoff an den belichteten Stellen polymerisiert. Mehrere bewegliche Spiegel sorgen indes dafür, dass der Laser, der mit einer Wellenlänge von 310 nm bis 355 nm arbeitet, zuverlässig sein Ziel findet. Nach der erfolgten Polymerisation einer Schicht durch den Laser senkt die Produktionsanlage die Bauteilplattform im Inneren des Kunststoffbads um einige Zehntelmillimeter ab, woraufhin ein Wischer, der sogenannte Rakel, der auch in der Drucktechnik zum Einsatz kommt, abermals flüssigen Kunststoff gleichmäßig über der bereits gehärteten Schicht verteilt, sodass der Polymerisationsprozess erneut beginnen kann.

Sobald das Bauteil fertiggestellt ist, wird dieses zum Abtropfen aus dem Kunststoffbad gehoben, sodass es im Anschluss nach Bedarf weiterverarbeitet werden kann. Sofern eine Stützkonstruktion vorhanden ist, muss diese im Folgenden entweder mechanisch per Maschine oder in Handarbeit vom Werkstück abgetrennt werden, sodass auch eventuelle vorhandene Grate im Zuge der Nachbearbeitung beseitigt werden können. Charakteristisch für die Stereolithographie ist die Notwendigkeit, den frisch aus dem Kunststoffbad entnommenen Grünling zur Nachhärtung in einem UV-Schrank, einem sogenannten Post Curvin Oven zu platzieren, da der Kunststoff des Grünlings bei der Entnahme nur zu 95 Prozent vernetzt ist. Dieser Schritt ist zwingend erforderlich, um die vollständige Bauteilfestigkeit herzustellen, womit die vollumfängliche Belastbarkeit des Materials gewährleistet ist.

Welche Vorteile?

Der mit Abstand größte Vorteil, der dem modernen Stereolithographie-Verfahren innewohnt, ist die hohe Fertigungspräzision, die das Verfahren unter anderem der zur Anwendung kommenden Lasertechnologie zu verdanken hat, die eine Querschnittdicke von bis zu 0,001 mm im Rahmen der Mikrostereolithographie ermöglicht. Somit ist es möglich selbst filigranste Bauteile zu fertigen, die mit anderen Rapid Manufactoring-Methoden aufgrund ihrer Komplexität nicht realisiert werden können. Darüber hinaus führt die auf den Zehntelmillimeter genaue Fertigung zu absolut glatten Oberflächen, wodurch der potenzielle Nachbearbeitungsaufwand durch Spachtel oder Schleifen minimal ausfällt. Auch das Auffinden von bis dato unentdeckten Konstruktionsfehlern im Zuge der Konstruktion eines Werkstücks wird durch die feingranulare Umsetzung deutlich erleichtert. Unter dem Strich sorgt die Verwendung von flüssigen Epoxidharzen also dafür, dass es sich um ein vergleichsweise kosteneffizientes Fertigungsverfahren handelt.

Hinsichtlich der verwendeten Materialien überzeugt die Stereolithographie vorrangig sowohl durch die geringe Abfallmenge als auch durch die Tatsache, dass nicht verbrauchtes Material für weitere Bauteile recycelt werden kann und nicht entsorgt werden muss, wie dies beispielsweise im Kontext diverser Gussverfahren gängige Praxis ist. Die moderne Materialforschung hat zudem dazu geführt, dass die heute zum Einsatz kommenden uv-empfindlichen Flüssigkunststoffe nach dem Aushärten eine hohe Maß- sowie Formhaltigkeit aufweisen und im Nachhinein leicht spanend bearbeitet werden können, was insbesondere in der Frühphase der additiven Fertigung via Stereolithographie noch als höchst problematisch galt. Im Hinblick auf die universale Verwendbarkeit der mit Hilfe der Stereolithographie hergestellten Werkstücke ist zudem zu beachten, dass sich deren Temperaturfestigkeit in Abhängigkeit vom verwendeten Kunststoff durch das sogenannte Tempern auf bis zu 260 Grad Celsius erhöhen lässt. In der Folge ist es sogar möglich, Bauteile im Produktiveinsatz in laufenden Motoren und Maschinen zu testen, um detaillierte Rückschlüsse auf spezifische Funktionseigenschaften ziehen zu können.

Welche Nachteile?

Der augenfälligste Nachteil der Stereolithographie ist die Fixierung der zu fertigenden Werkstücke auf der Bauplattform nebst der mitunter eng bemessenen Begrenzung der individuellen Teilgröße, die ebenfalls durch den Baurahmen der zum Einsatz kommenden Fertigungsanlage bedingt ist. Negativ ins Gewicht fallen abgesehen davon in erster Linie einige Gesichtspunkte, die unmittelbar mit den verwendeten uv-empfindlichen Kunststoffen verbunden sind. An erster Stelle steht dabei die Problematik, dass es im Rahmen der Reaktion der Monomere zum betreffenden Polymer in einigen Fällen zu einer Änderung des Materialvolumens kommen kann. Die daraus folgende Schrumpfung respektive Ausdehnung kann mitunter Deformationen der Bauteile nach sich ziehen. Zudem kann es vor allem bei älteren Kunststoffen zu chemischen Reaktionen im Zuge der Folgeprozesse kommen. In der Praxis kann dies im Fall mancher Kunststoffe beispielsweise die potenzielle Beschädigung von Vakuumgießformen aus Silikon durch Lösungsmittelbestandteile betreffen. Moderne Materialien wie Epoxydharze minimieren diese Gefahr jedoch nachhaltig.

Im Gegensatz zum Maskenverfahren, das im Kontext der additiven Fertigung ebenfalls oft zum Einsatz kommt, handelt es sich bei der Stereolithographie um ein zweistufiges Fertigungsverfahren, da die Bauteile nach der eigentlichen Fertigung aufgrund der nicht vollständig abgeschlossenen Polymerisation zur Nachvernetzung in einen UV-Ofen gegeben oder unter einer geeigneten UV-Lampe platziert werden müssen, was dementsprechende Kosten nach sich zieht. Die hohen Material-, Anschaffungs- und Unterhaltungskosten für die Fertigungsanlagen lassen das Verfahren aus kostentechnischer Sicht insbesondere für das fertigende Unternehmen ebenfalls nicht unbedingt glänzen. Ursächlich für die vergleichsweise hohen Materialkosten ist unter anderem die Tatsache, dass die Entwicklung der verfahrensspezifischen Kunststoffe auf diesen einen Anwendungsfall beschränkt ist. Es liegt auf der Hand, dass sowohl die Entwicklungs- als auch die Beschaffungskosten neuer photosensitiver Kunststoffe gemessen an anderen zur Verfügung stehenden Anwendungsbereichen sehr hoch sind, da sich die Kosten nur sehr eingeschränkt auf andere Produkte, Märkte oder Fertigungsverfahren umlegen lassen. Zudem eignet sich die Stereolithographie nicht für jeden Anwendungsbereich, da der Kunststoff mitunter eine begrenzte Haltbarkeit gegenüber dem Einfluss von Tageslicht aufweist und außer Kunststoffen keine alternativen Fertigungsmaterialien zur Anwendung kommen können.

Wo kommt die Stereolithographie zum Einsatz?

Die Stereolithographie ermöglicht dank ihrer hochpräzisen Fertigungstechnik die Produktion selbst komplexester Bauteile, die mit vergleichbaren Verfahren nicht in dieser Form realisiert werden können. In der Folge weist die Technologie auch ein entsprechend breites Einsatzspektrum auf, das nahezu jeden denkbaren Bereich abdeckt, in dem die Fertigung filigraner Bauteile verlangt wird. Charakteristischerweise betrifft dies selbstredend die Fertigung von verkleinerten Bauteilen, Prototypen und Modellen im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie, sodass diese bereits für eine eingeschränkte Funktionsprüfung herangezogen werden können. Insbesondere die Hochwertigkeit der fein ausgearbeiteten Oberflächen führt dazu, dass derartige Prototypen häufig auch zu Vorführ- und Demonstrationszwecken verwendet werden, um beispielsweise Investoren eine greifbare Vorstellung eines in der Entwicklung befindlichen Produkts zu liefern. Darüber hinaus findet die Stereolithographie überall dort ihren Einsatz, wo dreidimensionale Entwürfe in der Praxis auf Fehler respektive ihre Beschaffenheit überprüft werden müssen.

Abseits der Produktion von einzigartigen Prototypen erstreckt sich das Einsatzgebiet der Stereolithographie längst auch auf die konventionelle Serien- und Kleinserienfertigung. Und zwar speziell, wenn es sich um hochkomplexe Teile handelt, die lediglich in einer geringen Stückzahl oder in individualisierter Form gefertigt werden müssen. Zu nennen ist an dieser Stelle zum Beispiel die Herstellung von Vakuumgussformen für die teil- beziehungsweise vollautomatisierte Produktion von Spezialwerkzeugen im Spritzgussverfahren, ohne den Einsatz von Maschinen oder händischer Arbeit. Besonders wertvolle Dienste leistet die Stereolithographie respektive die Mikrostereolithographie im Kontext der Medizintechnik, wo sie unter anderem dazu dient, individuell angepasste Teile für orthopädische Prothesen oder Hörgeräte mit einer optimalen bioergonomischen Passform herzustellen. Die Basis für die Fertigung der Bauteile in der Medizintechnik ist in der Regel allerdings keine herkömmliche CAD-Datei, sondern ein entsprechender Datensatz, der auf Basis moderner bildgebender Verfahren wie der Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie (MRT) fußt und in ein geeignetes STL-Format konvertiert wurde. Auch in der plastischen Kiefer- und Gesichtschirurgie sowie Kieferorthopädie erlangt die Stereolithographie im Zuge der Fertigung von kosmetischen und funktionalen Implantaten sowie beispielsweise individualisierten Knirschschienen einen immer höheren Stellenwert.

Wie unterscheidet sich die Stereolithographie im industriellen und privaten Einsatz?

Das Stereolithographie-Verfahren hat sich nicht zuletzt aufgrund des unschätzbaren Vorteils der formlosen Fertigung nachhaltig durchgesetzt und stellt vor allem im Bereich der fertigenden Industrie das am weitesten verbreitete additive Fertigungsverfahren dar. Die außerordentliche Fertigungspräzision, die ausnahmslos für eine optimale Produktionsqualität sorgt, hat zudem ihren Teil dazu beigetragen, dass das SLA-Verfahren nicht nur in den Bereichen Architektur, Automobilbau oder Werkzeugproduktion zum Einsatz kommt, sondern auch zunehmend im medizinischen Bereich, wo vor allem Implantate und Prothesen gefertigt werden. Der Nachfrage entsprechend existieren auf dem Markt auch zahlreiche Anbieter, welche die entsprechenden Stereolithographie-Drucker für professionelle Anwender im Angebot haben. Das Portfolio der Stereolithographie-Drucker reicht dabei von vergleichsweise handlichen Desktop-Lösungen, über leistungsstarke Profigeräte bis hin zu spezialisierten Produktionsanlagen für die industrielle Fertigung.

Während sich die Profigeräte sowohl aufgrund ihrer Dimensionierung als auch hinsichtlich der zu zahlenden Anschaffungskosten ausschließlich für gewerbliche Anwender empfehlen, die mit Hilfe des SLA-Verfahrens tatsächlich auch Umsätze generieren, richten sich die Desktop-Lösungen primär an Privatanwender, denn auch in den eigenen vier Wänden lässt sich der 3D-Druck mittels Stereolithographie vielseitig einsetzen. Steht in der Industrie vor allem die Fertigung von technischen Prototypen und Serienteilen im Fokus, können Hobbybastler ihrer Kreativität unter Zuhilfenahme eines SLA-Druckers freien Lauf lassen und beispielsweise Modellbausätze gemäß eigenen Plänen entwerfen. Darüber hinaus besteht vor allem im Bereich des SLA-Verfahrens die realistische Option, die eigene Kreativität in bares Geld zu verwandeln und durch den Einsatz eines professionellen SLA-Desktop-Druckers den Grundstein für ein eigenes Gewerbe zu legen, ohne gleich in ausgewiesenes Gewerbeequipment investieren zu müssen. Wer die privaten Anschaffungskosten für die Hardware sowie die entsprechenden Fertigungsmaterialien scheut, hat in Zeiten des Web 2.0 zudem die Möglichkeit, den Service von professionellen 3D-Druck-Dienstleistern in Anspruch zunehmen, die ebenfalls das SLA-Verfahren zu ihrem Leistungsspektrum zählen.

Wie sieht die zukünftige Entwicklung der Stereolithographie aus?

Da die Präzision des SLA-Verfahrens und insbesondere der Mikrostereolithographie bereits zum jetzigen Zeitpunkt sehr hoch ist, wird sich die technische Entwicklung dieser additiven Fertigungsart in erster Linie auf die Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit durch den Einsatz mehrerer UV-Laser konzentrieren. Damit einher geht ebenfalls die Forschung im Bereich neuer photosensitiver Kunststoffe, deren Materialeigenschaften zweifelsohne noch Optimierungspotenzial bereithalten. Fernab der ausschließlich fertiggungsbezogenen Betrachtungsweise ist es sehr wahrscheinlich, dass sich die technische Deflation auch direkt auf die Stereolithographie auswirken wird, was dazu führt, dass die für den 3D-Druck mit Hilfe des SLA-Verfahrens benötigten Desktop-Drucker respektive Produktionsanlagen mittelfristig deutlich günstiger werden. Diese Entwicklung lässt eine flächendeckende Verwendung der Technologie zum Zweck der Serienfertigung diverser Endprodukte im Rahmen des Rapid Manufacuring in immer größere Nähe rücken, was darüber hinaus impliziert, dass die Hürden für die Verwirklichung von Geschäftsideen und damit die Produktion von innovativen Produkten auch für Privatpersonen immer niedriger werden. Parallel forciert die voranschreitende Industrie 4.0 das Aufkommen von Dienstleistern, die ihren professionellen Maschinenpark im Bereich des SLA-Verfahrens im Rahmen von Pay-per-Use und Pay-per-Piece-Konzepten zeitweise vermieten und die individuellen Fertigungskosten damit weiter senken werden. Am Ende des Tages kann also mit Fug und Recht behauptet werden, dass dem 3D-Druck und damit unter anderem auch der Stereolithographie die Zukunft sowohl im privaten als auch gewerblichen Sektor gehört.

Fazit

Als Chuck Hall im Jahr 1982 die ersten Experimente mit uv-empfindlichen Kunststoffen durchführte, hätte er sich mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit nicht träumen lassen, wie weit es das von ihm erfundene SLA-Verfahren einmal bringen würde. Nichtsdestotrotz ist die Stereolithographie heute in der Industrie das bei Weitem am häufigsten zum Einsatz kommende additive Fertigungsverfahren. Trotz der vergleichsweise hohen Investitionskosten lohnt sich der Einsatz sowohl aufgrund der Fertigungspräzision als auch durch die erheblichen Einsparungen im Bereich zusätzlicher händischer und maschineller Arbeit insbesondere in der Industrie. Unter dem Strich sorgt die technische Deflation in Zukunft jedoch dafür, dass das SLA-Verfahren nicht nur der Automobilindustrie, der Luftfahrt oder der Medizintechnik vorbehalten bleibt, sondern durch sinkende Anschaffungskosten und zunehmende Dienstleistungsangebote auch steigendem Maße für Privatpersonen attraktiver wird.