Photopolymerisation in der Stereolithographie

Nachstehend möchten wir Ihnen einige Details zum Verfahren der Photopolymerisation, das in der Stereolithographie oft verwendet wird, vermitteln. Dabei gehen wir unter anderem den Fragen nach, wie diese spezielle Polymerisation genau funktioniert und welche Hauptschritte bei dem Verfahren nötig sind.

Das Prinzip der Photopolymerisation

Was ist Stereolithographie? Das Verfahren der Stereolithographie, besser bekannt unter dem Namen SLA (Stereolithography Apparatus), ist eine 3D-Drucktechnik, die auf dem Prinzip der Photopolymerisation von Harzen basiert.

Dieses Rapid-Prototyping-Verfahren verwendet die Eigenschaften von bestimmten Harzen, die unter Einfluss von Licht oder Wärme aushärten. Man nennt sie deshalb photoempfindliche Harze. Zur Fertigung des gewünschten Objekts werden diese Harze entsprechend einer im Computer eingetragenen Datei Schicht für Schicht ausgehärtet.

Wie funktioniert Photopolymerisation?

Der Stereolithographie-3D-Drucker, der bei der Photopolymerisation zum Einsatz kommt, ist mit einem Behälter ausgestattet, in dem sich flüssiges Epoxidharz befindet. Eine bewegliche Plattform wird in dieses Harz getaucht, um dem zu fertigenden Objekt als Stütze zu dienen. Die Plattform wird in einer bestimmte Tiefe unter dem Harz positioniert und bestimmt somit die Dicke jeder Schicht. Der Drucker ist mit einem UV-Laserstrahl ausgestattet, der die photoempfindlichen Harze aushärtet, und zwar Schicht um Schicht, mit einer Feinheit von 0,10 bis 0,15 Millimeter (siehe Abbildung oben).

Der Laser ist mit einer Kontrolleinheit zum Steuern des Strahls ausgestattet – beide befinden sich über der Plattform. Die Richtung des Lasers wird hierbei durch eine Ablenkvorrichtung mit sehr präzisen Spiegeln gesteuert. Durch diese Installation kann der Laser auf jeden beliebigen Punkt der Plattform gerichtet werden.

Photopolymerisation: schichtweise Aushärtung durch UV-Strahlen

Die verschiedenen Schichten, die das Objekt bilden, werden eine nach der anderen ausgehärtet: Der UV-Strahl bearbeitet das Harz für jede Schicht an den vorher in der Computerdatei festgelegten Stellen. Unter der Einwirkung von UV wird das Harz an diesen Punkten in ein festes Polymer umgewandelt. Danach senkt sich die Stützplattform eine Stufe tiefer in das Harz und das noch flüssige Harz bedeckt den vorher ausgehärteten Teil erneut vollständig. Danach polymerisiert der Laser die nächste Schicht und so weiter.

Einmal abgeschlossen, wird das Objekt aus dem Behälter entfernt und das ungehärtete Harz mit einem Lösungsmittel gelöst. Je nach verwendetem Harz muss am Ende des Verfahrens das Objekt gebrannt werden, um die Härtung zu vervollständigen.

Die drei grundlegenden Schritte der Photopolymerisation im Überblick:

1. Der Laserstrahl tastet die Oberfläche des Harzes an den Stellen, die verfestigt werden müssen, ab.

2. Die Plattform wird entlang der Z-Achse um eine Stufe abgesenkt, und das flüssige Harz bedeckt das bereits erstarrte Teil auf der ganzen Oberfläche.

3. Der Laser polymerisiert die nächste Schicht.

Herstellung von Prototypen per Photopolymerisation

Photopolymerisation kommt in der Regel im Rahmen der Stereolithographie bei der Herstellung von Prototypen aus Kunststoff zum Einsatz. Das Verfahren wird unter anderem dazu genutzt, um Einzelanfertigungen komplexer geometrischer Formen zu realisieren. Diese werden beispielsweise für Design-Validierungen oder mechanische Tests verwendet. Daher wenden sich viele Kunden aus unterschiedlichen Branchen an unser Unternehmen, um vielfältige Prototypen von uns anfertigen zu lassen.

Bei SLA (früher hat man hierfür eher den Namen „3D-Druck“ gebraucht) handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren. Additiv deshalb, weil der Prototyp dadurch gefertigt wird, dass schrittweise Kunststoffmaterial hinzugefügt wird. Dieser Prozess erfolgt durch den oben bereits erwähnten UV-Laser, der den Stoff erstarren lässt. Ein großer Vorteil von SLA (Stereolithography Apparatus): Durch dieses Verfahren können selbst große Modelle oder Kunststoffteile mit komplexen Formen hochpräzise und in kürzester Zeit produziert werden.

Hintergrundwissen zur Photopolymerisation: Was ist ein Polymer?

Der Name Photopolymerisation setzt sich unter anderem aus den Begriffen „Photo“ (aus dem Griechischen für Licht) und Polymer zusammen. Bei Polymeren handelt es sich allgemein um chemische Verbindungen, die aus Ketten- bzw. verzweigten Molekülen bestehen, die sich wiederum aus gleichen oder zumindest gleichartigen Einheiten (Monomeren) zusammensetzen. Das Adjektiv polymer meint dementsprechend: aufgebaut aus vielen gleichen Teilen. In chemischen Lexika finden sich folgende Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit ein Stoff als Polymer gilt:

• Es muss eine einfache Gewichtsmehrheit von Molekülen mit zumindest drei Monomereinheiten enthalten sein.
• Diese Einheiten müssen mit einer weiteren Monomereinheit bzw. einem anderen Reaktanten verknüpft sein.
• Die Verbindung dieser beiden muss mittels Atombindung (kovalente/Elektronenpaarbindung) eingegangen worden sein.

Bei bekannten Polymeren wie PE, PP oder PVC handelt es sich um sogenannten Homopolymere, da diese nur aus einer einzigen Art von Monomeren bestehen. Dahingegen handelt es sich etwa bei Polyester, Polyurethane und einigen Polyamiden um aus verschiedenen Monomeren aufgebaute Copolymere. Je nach Anwendungsbereich werden Polymere auch in organische und anorganische Varianten unterteilt.

Vom Plan zum fertigen Produkt durch Stereolithographie und Photopolymerisation

Prototypen stellen einen ganz wichtigen Baustein bei der Entwicklung eines neuen Produktes bzw. bei dessen Launch am Markt dar. Per SLA sparen Sie nicht nur bares Geld bei der Anfertigung solcher Prototypen – auch, was den zeitlichen Aufwand betrifft, weist dieses Verfahren große Vorteile auf. Wenn Sie bei uns einen ersten Prototyp in Auftrag geben, fertigen wir diesen per Photopolymerisation für Sie an und lassen Ihnen diesen innerhalb von nur wenigen Tagen zukommen. So haben Sie schnell die Möglichkeit, das Ergebnis einer strengen Prüfung zu unterziehen und/oder die verschiedenen Funktionen oder den Bewegungsspielraum verschiedener Elemente in Augenschein zu nehmen. Auf diese Weise lassen sich Fehler oder Probleme Ihres zukünftigen Produkts viel zügiger identifizieren, als es anhand reiner Kosten- bzw. Baupläne mögliche wäre.

Schnelle Änderungen bei Bedarf

Ein weiterer Vorteil, den SLA bzw. die Photopolymerisation mit sich bringt, ist die kurze Dauer bei Korrekturläufen. Ist ein solcher nötig, führt das erfahrene Team von Prototech Asia diese schnell durch. Beispielsweise kommt dies bei Themen rund um die Oberflächenbeschaffenheit zum Tragen. Ebenso sind Fragen zum Design oder der Passung mit anderen Bauteilen nicht selten ein Thema. Wenn Sie im Anschluss an eine solche Korrekturschleife Ihre neuen Prototypen begutachten, können Sie effektiv und im direkten Vergleich mit der ersten Lieferung die jeweiligen Anpassungen bewerten. Nehmen Sie jetzt Kontakt mit Prototech Asia auf, Ihrem kompetenten Partner für Rapid Prototyping und die Fertigung unterschiedlichster Kleinserien mit modernen Verfahren. Gerne erläutern wir Ihnen, wann Stereolithographie und Photopolymerisation für Ihre Zwecke sinnvoll sind, oder ob für Sie eine andere Technologie wie Spritz- oder Vakuumguss die richtige wäre. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage und beraten Sie umfassend mit umfangreichem Know-how.