Wie SLA und SLS Rapid Prototyping revolutionieren

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Veröffentlicht: 13. Juli 2018 | Von Will, WayKen Project Manager

Mit technologischer Entwicklung hat sich 3D-Druck von bloßer Konzeption zur Realität entwickelt. Die Marktsättigung machte das Hauptziel des Herstellers nicht nur Produktion, sondern innovative Methoden, um mehr Produkte in kürzerer Zeit zu fertigen und Produktion zu steigern. Hersteller nutzen heute diverse Rapid-Prototyping-Techniken. Diese innovativen Methoden sparen nicht nur Zeit, sondern sind auch kosteneffizient. Eine solche Technik: 3D-Druck (SLA- & SLS-Prototyping). 3D-Druck produziert zusätzlich zum Zeit-/Kostensparen den besten funktionalen Prototyp aus einem 3D-CAD-Modell.

Geschichte des 3D-Drucks

Das 3D-Druckkonzept reicht bis 1981, als das Nagoya Municipal Industrial Research Institute photo-härtende Thermoset-Polymere nutzte, um 3D-Modelle zu fertigen, wobei ein Maskenmuster den UV-Belichtungsbereich steuerte. Damals war Nutzung durch Material- und 3D-Modelliersoftware-Restriktionen gering. Schon 2000 importierte China kommerzielle Rapid-Prototyping-Ausrüstung, Hauptanwendung: industrieller 3D-Druck. 2013 wurde es durch zwei NASA-Mitarbeiter (Samantha Snabes, Matthew Fiedler) mit dem ersten erschwinglichen 3D-Drucker-Prototyp „Gigabot“ zum populären Industriebegriff.

3D-Druck: Führender Trend im Rapid Prototyping

Von Kostensenkung bis Effizienzsteigerung durch Innovation – viele sind begeistert von 3D-Drucks Einfluss auf die Fertigungszukunft. Die Wahrheit: Er hat bereits signifikanten Einfluss auf Industrie und Endkunden.

Ein Desktop-3D-Drucker dient als F&E-Produkt und zum Designen von 3D-Modellen in der Industrie. Falsch zu sagen, er sei nur für Industriekunden. Er wird zusehends bei Privatkunden beliebt durch breite Anwendungen. Hauptgrund: 3D-Druckmaterial wird günstiger und verfügbarer. Zudem nimmt 3D-Drucker deutlich weniger Platz ein als konventionelle subtraktive Werkzeugraummethoden wie CNC-Fräsen, Drehen, Präzisionsschleifen.

Verfügbare Modelliersoftware unterstützt die Technologieentwicklung. Modelle werden meist im STL-Format gespeichert – CAD-Dateiformat für Rapid Prototyping, das Daten basierend auf Triangulierungen von CAD-Modellen speichert. Aber STL erzeugte viele Gitterstrukturen mit Fehlern. Neuere Software speichert im Additive Manufacturing File Format (AMF), das weniger Fehler produziert. Zudem haben diese Softwares benutzerfreundliche Oberflächen, die industriellen wie privaten Nutzern das Modellieren erleichtern.

Eine Studie zeigte: 6,7 Mio. 3D-Drucker werden bis 2020 weltweit ausgeliefert – 14x mehr als 2016. Mit neuen Technologien, die 3D-Druckernutzung verbessern, wird die Technologie die Fertigungsindustrie zu neuen Höhen führen.

Abbildung 1: Globale 3D-Drucker-Auslieferungen 2015–2020

3D-Drucktechnologie

Bei 3D-Drucktechnologie gibt es zwei gängigste: SLA Rapid Prototyping & SLS Rapid Prototyping.

1. SLA Rapid Prototyping

SLA Rapid Prototyping (Stereolithografie) ist eine 3D-Drucktechnologie zur Erstellung von Prototypen, Modellen, Mustern in Schicht-für-Schicht-Manier via Photopolymerisation. Photopolymerisation: Moleküle verknüpfen zu Polymeren unter Lichteinwirkung. Das Harz (Material) wird durch Licht und UV-Strahlen verfestigt. So wird der gewünschte Prototyp Schicht für Schicht per SLA erstellt.

Abbildung 2: SLA Rapid Prototyping Prozess

UV-Strahlung baut eine vorprogrammierte Form im Photopolymer-Vat auf. Da Photopolymere UV-empfindlich sind, verfestigt sich das Harz und bildet eine einzelne Schicht des Prototyps. So werden Harzschichten verfestigt, bis der Prototyp fertig ist.

SLA-prototypierte Produkte haben höchste Auflösung und Oberflächenfinish aller 3D-Rapid-Prototyping-Techniken. Vielseitigkeit liegt im Harz. Mit Technologiefortschritt schufen Materialingenieure verschiedene Harze für SLA mit Eigenschaften, die Standard-Engineering-Thermoplaste matchen.

Anwendungen

SLA Rapid Prototyping wird seit Einführung branchenweit für Produktentwicklung genutzt.

· Medizinisches Modeling

SLA-prototypierte Produkte werden seit Technologieeinführung in der Medizin genutzt. Erstellung anatomischer 3D-Modelle verschiedener Körperregionen basierend auf Computertomografie-Daten. Diese Modelle unterstützen Diagnose und Behandlung. Chirurgen nutzen sie als OP-Hilfe, Prothetiker für maßgefertigte Implantate.

Abbildung 3: SLA Rapid Prototyping Modell

· Prototyping

SLA Rapid Prototyping erstellt Prototypen gerader/ungerader Formen bei relativ niedrigen Kosten. SLA-Prototypen sind bearbeitbar, Muster für diverse Metal-Gussoperationen formbar.

2. SLS Rapid Prototyping

Selektives Lasersintern (SLS Rapid Prototyping) nutzt Laser als Verfestiger für Pulvermaterial. Meist Nylon-Pulver. Nylon: Engineering-Thermoplast mit beeindruckenden mechanischen Eigenschaften, leicht, stabil. Dieser 3D-Drucker zielt Laser automatisch auf Pulvermaterial, um es zu verfestigen und die erforderliche Struktur zu schaffen. SLS unterscheidet sich von Selective Laser Melting (SLM): Bei SLM wird Material geschmolzen, nicht gesintert wie bei SLS.

Abbildung 4: SLS Rapid Prototyping Prozess

SLS nutzt wie SLA CAD-Designs zur Prototypentwicklung via gesintertem Pulver. Hochleistungslaser (meist CO2) als Fusionquelle für Pulverpartikel zur Prototyperstellung. Laser scannt Querschnitte aus CAD-Modell und sintert Pulvermaterial selektiv in Form des Prototyps. Nach Querschnittsscan senkt sich Pulverbett, neue Materialsauflage oben, bis Produkt fertig.

Das Nylon in SLS eignet sich für Prototypen hoher mechanischer Festigkeit sowie schlag-, licht- und wasserbeständiger Prototypen. Geringere Produktionskosten und hohe Produktivität machen diese Technik in der Industrie beliebt.

Anwendungen

SLS Rapid Prototyping wird seit Einführung branchenweit für Produktentwicklung genutzt.

· Luft- und Raumfahrt

SLS beliebt in Branchen, die hochwertige Teile in geringeren Stückzahlen brauchen. Beispiel: Luftfahrt, wo Flugzeugprototypen nötig sind. Da Flugzeuge in geringen Zahlen gebaut und jahrzehntelang genutzt werden, produziert SLS hochwertige Teile für die Luftfahrt.

Abbildung 5: Airbus Kabinenpaneel via SLS

· Prototyping komplexer Geometrien

SLS wird branchenweit für komplexe Geometrien via CAD-Modell genutzt. SLS kann Prototypen mit Materialvielfalt produzieren, die unter Laserwirkung verschmelzen. Keine Stützstrukturen nötig – beliebt in Branchen für hochwertige Teile.

Abbildung 6: SLS-designter Propeller

Vergleich SLA vs. SLS

1. Rohmaterial

SLS: Nylonpulver, Polycarbonat-Kohlenpulver, Vinylchlorid-Pulver, High-Performance-Pulver.

SLA: Flüssiges Polymer, Qualität nicht vergleichbar mit Thermoplasten.

2. Materialshrinkage

SLS: 2–4 % Schrumpfung.

SLA: < 0,4 % Schrumpfung – detailliertere Teile möglich.

3. Bauraumgröße

SLS: Bis 1500 × 750 × 500 mm.

SLA: Bis 145 × 145 × 175 mm.

4. Oberflächenfinish

SLS: Rau, etwas locker.

SLA: Relativ glatt.

5. Festigkeit

SLS: Hohe Festigkeit durch Rohmaterial.

SLA: Relativ geringe Festigkeit.

6. Bearbeitbarkeit

SLS: Prototypen leicht bearbeitbar (Fräsen, Drehen, Bohren etc.).

SLA: Geringe Festigkeit – Bearbeitung schwierig, große Vorsicht nötig.

7. Verschleißfestigkeit

SLS: Ähnlich wie Thermoplaste.

SLA: Schlecht gegen Umwelteinflüsse. Epoxidharze können Widerstand deutlich verbessern.

Abbildung 7: SLS Rapid Prototyping Modell

Vorteile: 3D-Druck mit SLA und SLS

Für Massenproduktion in kürzerer Zeit ist 3D-Druck essenzielles Werkzeug. Viele Vorteile genießbar:

1. Kosteneffizienz

Kosteneffizienz ist Hauptvorteil. Festigkeit und Finish im Prototyp benötigen keine Modifikationen – spart Geld. Zudem Massenproduktion möglich – spart massiv Geld.

2. Geschwindigkeit

Ermöglicht Industriellen, mehr Produkte bei höherer Geschwindigkeit in deutlich weniger Zeit als konventionelle Prozesse. Nutzer braucht nur CAD-Modell, Drucker entwickelt Produkt in viel weniger Zeit. Prototyp ist hochwertig und fest – beliebt in Industrie und Privat weltweit.

3. Lagerplatzreduzierung

3D-Drucker braucht deutlich weniger Platz als konventionelle Massenproduktionsmaschinen. Werkzeuge jener sind schwer und teuer vs. kompakter 3D-Drucker.

4. Risikominderung

3D-Druck ermöglicht Designverifikation vor teurem Prototypenbau im CAD-Modell. CAD-Modell wird korrigiert. Testformen-Produktion ist weit günstiger als Änderung bereits produzierter Formen.

5. Feedback

Mit Prototyp kann Markpotenzial vor echter Produktion getestet werden. Käuferreaktion vor Produktion prognostiziert Zukunftsaussichten und hilft bei Entscheidung über Stückzahlen für Massenproduktion.

6. Personalisierung

Bei Standardbearbeitung für Massenproduktion sind alle Teile identisch (oder mit gleichen Fehlern). Beim 3D-Druck immer Raum für Customizing, Personalisierung nach Kunden- oder Marktanforderungen.

Abschließende Bemerkungen

SLA- und SLS-Prototyping zählen zu den großen Revolutionen der Technologiewelt. Funktionalen Prototypenbau ist keine schwierige Aufgabe mehr – einfach durch Einsatz dieser zwei Techniken per Anforderung der Prototypeneigenschaften. SLA besser für Oberflächenfinish, SLS besser für hochfeste Produkte. Beide sind Top-Rapid-Prototyping-Techniken für Massenproduktion mit weniger Fehlern.