Laser-Stereolithographie – Verfahrensgrundlagen

Auszug aus

Andreas Gebhardt

Additive Fertigungsverfahren

10/2016, 736 Seiten, € 145,00
ISBN: 978-3-446-44401-0
S. 108

Bei der Laser-Stereolithographie werden photosensitive Monomere mit einem Laser-Scanner-Belichter punktweise durch Polymerisation verfestigt. Nach der Verfestigung einer Schicht wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen. Auf diese Weise „wächst“ das Bauteil schichtweise von unten nach oben.

Die Laser-Stereolithographie beruht auf der punktweisen Verfestigung von photosensitiven Monomeren (Polymerisation) mithilfe eines Laser-Scanner-Belichters (Galvo-Scanner). Die Stereolithographiemaschinen nach der Laser-Scanner-Methode bestehen aus einem Behälter mit flüssigem Monomer, der Bauraum und meist auch Vorratsbehälter ist, einer in z-Richtung in diesem Behälter verschiebbaren Bauplattform und einer Laser-Scanner-Einheit, die die aktuellen Schichtinformationen auf die Oberfläche des Harzbades schreibt. Die Plattform trägt das Bauteil (auf Stützen). Diese ermöglichen die Fertigung von Überhängen, fixieren unverbundene Modellteile und gewährleisten das definierte Fixieren auf und das spätere Entfernen von der Bauplattform.

Prinzip des Stereolithographieverfahrens (Quelle: Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren)

Nach Verfestigung einer Schicht wird die Bauplattform um eine Schichtstärke abgesenkt. Danach wird eine neue Schicht aufgetragen (Wiederbeschichtung, Recoating), diese mit den Schichtdaten der neuen Schicht belichtet und somit verfestigt. Dann fährt der Prozess mit der Belichtung der folgenden Schichten fort. Auf diese Weise „wächst“ das Bauteil schichtweise von unten nach oben.

Alle Laser-Scanner-Stereolithographieverfahren versuchen die Verfestigung einer Schicht als Folge von Einzelverfestigungen, sogenannten Voxeln, zu realisieren. Die Geometrie der Voxel, die idealerweise der Form eines Rotationsparaboloiden entspricht, ergibt sich aus der Energieverteilung im Laserstrahl und der Eindringcharakteristik des Harzes. Um die nötige Bauteilfestigkeit zu erzielen, durchdringen sich sowohl die Voxel in einer Schicht als auch die von zwei benachbarten Schichten („Overcure“), sodass die tatsächliche Eindringtiefe des Lasers größer ist als die Schichtdicke und die Generierung einer Schicht und die Verzahnung mit der darunter liegenden vorangegangenen Schicht simultan erfolgen. In der Praxis entscheidet die Abstimmung von Laserleistung, Strahlparameter, Scangeschwindigkeit und Werkstoffkennwerten (Harztyp) darüber, ob in der Schicht tatsächlich eine Voxelstruktur entsteht oder ob quasi-kontinuierliche Bahnen geschrieben werden.

Zur schnellen und exakten Polymerisation verwenden die einzelnen Hersteller unterschiedliche Belichtungsstrategien. Grundsätzlich werden die zu verfestigenden Flächen zunächst durch Randkurven (Borders) konturiert und schließlich durch geeignete Schraffuren (Hatches) im Inneren verfestigt. Zur exakten Generierung der Randkurven wird der Strahldurchmesser kompensiert. Dazu wird die Bahn des Lasers um den halben Betrag des Strahldurchmessers von der geometrisch exakten Kontur in das Bauteil hinein verlegt (Beam Width Compensation oder Line Width Compensation, Strahlweitenkompensation). Bei einigen Systemen wird zusätzlich der Strahldurchmesser verändert.