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Fertigungslehre

Stereolithographie

Bei diesem Verfahren liegt als Eingangsstoff ein flüssiges Polymer vor. Dieses wird innerhalb eines Behälters durch ein ultraviolettes Laserlicht so beeinflusst, dass daraus schichtweise ein Körper aufgebaut werden kann. Dieser Vorgang, bei dem die einzelnen Polymerbestandteile miteinander vernetzt werden, bezeichnet man als Polymerisation.

Aufbau der Anlage

Im wesentlichen besteht eine Stereolithographie-Anlage aus fünf Komponenten:

  • Scannereinheit,
  • UV-Laser,
  • Bildschirm und Rechner,
  • Kammer für die Lichthärtung.

Funktionsweise der Stereolithographie

Der UV-Laser wird mithilfe einer Optik gebündelt und über die X-Y-Scannerspiegel auf die Arbeitsfläche, also die Oberfläche der Flüssigkeit, des Behälters gelenkt. Bei diesem Vorgang wird eine dünne Schicht des Polymers (Layer) vernetzt. Nach der Vernetzung wird das Werkstück mit der Plattform durch eine Hubeinrichtung um eine Schichtdicke nach unten abgesenkt. Danach wird die nächste Schicht, die durch Überlappung mit der vorherigen verbunden ist, vernetzt. Der Rechner, auf dessen Bildschirm der jeweilige Layer optisch dargestellt wird, steuert dabei entsprechend der CAD-Daten den Scanner in X- und Y-Richtung sowie die Hubeinrichtung in Z-Richtung. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt bis der komplette Körper erzeugt wurde.

Weitere Fertigungsschritte während des Prozesses:

Absenkvorgang:

Die Plattform, auf der sich das Werkstück befindet, wird immer um einen vorgeschriebenen Betrag in Richtung der Z-Achse abgesenkt, so dass die Flüssigkeit die vorherige Arbeitsfläche erneut benetzt. Anschließend kann der UV-Laser wieder eine neue Schicht ausbilden. Der Flüssigkeitsstand im Behälter wird nach jedem Vorgang angepasst.

Wischvorgang:

Der Wischer bewegt sich parallel zur Arbeitsebene im Abstand von einer Schichtdicke über das Werkstück hinweg und entfernt dabei überschüssiges Material, welches infolge der Oberflächenspannung zurück geblieben ist. Nach diesem Vorgang bleibt ein Flüssigkeitsrest von ungefähr einer Schichtdicke übrig.

Wartezeit:

Das Werkstück wird immer nur so weit abgesenkt, dass der Abstand zwischen Flüssigkeitsoberfläche und der Oberfläche der zuletzt erzeugten Schicht genau einer Schichtdicke entspricht. Die Wartezeit ist dabei notwendig, damit die durch die Oberflächenspannung entstandenen Lücken durch das Fließen der Polymerflüssigkeit wieder ausgefüllt werden kann. Hält man sich nicht an diese Wartezeit so kann dies zu Fehlern führen, die in Creasing und Dumping unterschieden werden.

  • Beim Creasing entstehen Materiallücken an der Werkstückkante, weil das Material nicht aushärtet und ausgewaschen wird. Verursacht wird dieser Effekt durch die Oberflächenspannung des Polymers.
  • Beim Dumping enstehen Unebenheiten in der Flüssigkeit infolge des Wischens, welches eine unvollständige Benetzung des Körpers verusacht. Diese Tiefen liegen unterhalb der Untergrenze der nachfolgenden Schicht und werden nicht vernetzt. Dies kann dann zu Einbuchtungen an der Körperoberfläche, oder noch schlimmer zu Flüssigkeitseinschlüssen im Körper führen.

Merke

Eine Lösung für die beschriebenen Probleme bieten Additive, welche die Benetzungsfähigkeit des Polymers steigern.

Anhebevorgang:

Wurde alles korrekt beachtet und ist die letzte Schicht mit dem UV-Laser erzeugt worden, so fährt die Trägerplattform den Körper nach oben aus der Flüssigkeit heraus und nach dem Abtropfen der überschüssigen Polymerflüssigkeit wird der fertige Körper entnommen.