1 allgemeines
1 ALLGEMEINES 2
2 STEREOLITHOGRAPHIE 2
2.1 Historisches 3
2.2 Verfahrensprinzip 3
3 STEREOLITHOGRAPHIE- ANLAGEN 5
3.1 Punktförmige Belichtung mit dem Laserstrahl 5
3.1.1 SLA- Verfahren 5
3.
1.2 Soup- Verfahren 7
3.1.3 Colamm- Verfahren 7
3.2 Flächige Belichtung mit Masken 8
3.2.
1 LSI- Verfahren 8
3.2.2 SGC- Verfahren 8
3.3 Übersicht über Verfahren zur Prototypenherstellung 9
4 PHOTOPOLYMERE 9
4.1 Allgemeines 9
4.2 Monomere 10
4.
2.1 Acrylsre.ester 10
4.2.2 Methylmethacrylat 10
4.3 Herstellung der Monomere + technische Herstellung 11
4.
4 Polymerisation 11
4.5 Photoinitiatoren 11
5 EINSATZBEREICHE 12
5.1 Stereolithographie in der Werkzeugtechnik 13
5.2 Stereolithographie in der Medizin 13
6 ENTWICKLUNGSTENDENZEN 14
7 LITERATURVERZEICHNIS 15
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
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.
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.
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
Stereolithographie- Anlagen
Punktförmige Belichtung mit dem Laserstrahl
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
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
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
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
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.
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.
Flächige Belichtung mit Masken
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
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
Übersicht über Verfahren zur Prototypenherstellung
Photopolymere
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.
Monomere
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.
Methylmethacrylat
Abbildung 10: Methylmethacrylat
Herstellung der Monomere + technische Herstellung
siehe Referatnr.1: “Acryl- und Methacrylsre.- haltige Polymere und deren Abwandlungen”, Autor: Norbert Sauer (3AKK, 96/97)
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):
R1 R1
ê ê
n CH2=C¾CO¾X ¬® ¾CH2¾C¾¾¾¾
ê
CO¾X n
X = OR2 oder NHR3 R1 = H oder CH3
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
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:
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.
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.
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.
Literaturverzeichnis
Autoren: Aktuelle Trends bei RP und RT
Kunststoffe 87 (1997) 1, Seite 27 - 32
Carl Hanser Verlag München Wien
Autoren: Rapid Prototyping
Kunststoffe 83 (1993) 12, Seite 949 - 955
Carl Hanser Verlag München Wien
Bottenbruch: Kstoffhandbuch - Band 10: Duroplaste
Carl Hanser Verlag München Wien 1973
Brandau: Duroplastwerkstoffe - Technologie, Prüfung, Anwendung
VCH Weinheim, 1993
D. Santek, I. Duretek: Rapid Prototyping
Österr. Kunststoff-Zeitschrift 27 (1996) 5/6, Seite 82 - 85
Verlag Lorenz
Goetzloff: Stereolithographie
MTK-Referat, K 96 A
Hillisch: StereoLithographie
Österr. Kunststoff-Zeitschrift 22 (1991) 7/8, Seite 196 - 200
Verlag Lorenz
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
Saechtling: KStoff Taschenbuch
24.
Ausgabe
Carl Hanser Verlag München Wien, 1989
Sauer: Acryl- und Methacrylsre.- haltige Polymere und deren Abwandlungen
Referat Nr.:1, 3AKK, 96/97
[5] ABBILDUNG 1: ÜBERSICHT ÜBER VERFAHREN ZUR PROTOTYPENHERSTELLUNG 2
[2] ABBILDUNG 2: STEREOLITHOGRAPHIE IN EINEM 10- STUFEN- PROZEß 5
[1] ABBILDUNG 3: ELEMENTE EINER SLA 5
[7] ABBILDUNG 4: PRINZIP EINES HELIUM- CADMIUM- LASERS 6
[7] ABBILDUNG 5: OPTISCHE STRAHLENFÜHRUNG EINER SLA 6
[5] ABBILDUNG 6: PRINZIP DER STEREOLITHOGRAPHIE 7
[8] ABBILDUNG 7: LSI- VERFAHREN 8
[8] ABBILDUNG 8: SOLIDER- VERFAHREN 8
[12] ABBILDUNG 9: PROPENSRE.ESTER, ACRYLSRE.ESTER, ACRYLAT 10
[12] ABBILDUNG 10: METHYLMETHACRYLAT 10
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