Prognose: 50 prozent Wachstum

Neue Harze, Metallbeschichtungen für Kunststoffe und optimierte frequenzverdreifachte, gütegeschaltete Festkörperlaser verbessern Wirtschaftlichkeit und mechanische Eigenschaften von stereolithographisch hergestellten Teilen. Was damit bereits machbar ist und welche Vorteile die Stereolithographie gegenüber dem Lasersintern bringt, zeigen exklusiv Coherent-Experte Tobias Pflanz und Ralf Deuke, Direktor der Alphaform AG, auf.

Rapid-Prototyping ist der häufig – nicht ganz korrekt – gebrauchte Überbegriff für Schichtbauverfahren zur Herstellung beliebiger 3-D Objekte; und dies deutlich schneller, und bis zu gewissen Stückzahlen auch günstiger, als mit konventionellen Methoden wie Spritzguss oder Blechbiegen. Nachteil der konventionellen Verfahren bei kleineren Stückzahlen sind die relativ hohen Fixkosten. Es fallen Herstell- und Entwicklungsaufwände für Werkzeuge an, die bei Schichtbauverfahren entfallen. Eines der wichtigsten Rapid-Prototyping Verfahren ist die Stereolithographie (STL). Dort werden Photopolymer-Harze mit einem durch Scanner positionierten Strahl eines diodengepumpten, frequenzverdreifachten Festkörperlasers Schicht für Schicht ausgehärtet. Es lassen sich beliebig komplexe Kunststoff-Teile aus einem Stück herstellen. Die gestiegene Akzeptanz dieses Verfahrens in den letzten Jahren basiert auf Effizienzsteigerungen im gesamten Herstellungsprozess. Datenmengen von mehreren hundert Megabyte können heute in kurzer Zeit verschickt werden, Datenspeicher werden immer günstiger und kompakter. Harz -Hersteller warten jedes Jahr mit echten Innovationen auf, die die Grenzen des bisher technisch möglichen verschieben. So gibt es heute Harze, in denen Pistolenkugeln unter Beschuss im Material stecken bleiben. Es gibt für sichtbares Licht vollkommen transparente Harze, Harze die 200°C Hitze und mehrere bar Druck überstehen, besonders feuchtigkeitsbeständige, oder besonders säureresistente Harze. Für das Gros der Anwendungen aber noch interessanter: die meisten Harze brauchen heute weniger als die Hälfte der mittleren UV-Leistung zum Aushärten als noch vor einigen Jahren – die Harze werden .schneller‘ – der Herstellungsprozess verkürzt sich. Das drückt die Kosten, die Einstiegsschwelle für Kunden sinkt. Doch auch das Schreibverfahren hat sich verändert. Zur Steigerung der Geschwindigkeit wurde ,Dual-Spot‘ Technik entwickelt. Bei innen liegenden Strukturen wird für schnelle Schreibgeschwindigkeit ein großer Spotdurchmesser von 400 bis 600 µm verwendet. Bei den, die optischen Eigenschaften bestimmenden Außenkonturen, kommt, je nach Anforderung, ein kleiner Strahl mit 20 bis 200 µm Durchmesser zum Einsatz. Dadurch verkürzt sich die Bearbeitungszeit ohne Abstriche bei der Qualität. Doch wie überall kommt auch der Faktor Mensch ins Spiel. Angefangen bei der Materialauswahl, über Konvertierung der CAD Daten vom Kunden, Orientierung und Anordnung der Teile im SLA (Stereo Lithography Aparatus) bis hin zur Nachbearbeitung sind Erfahrung und Können wichtige Einflussfaktoren auf die Qualität des fertigen Teils. Die Konvertierung der Daten in STL Daten geht zwar automatisch, aber die Orientierung entscheidet darüber, wo noch Stützkonstruktionen hinzugefügt werden müssen und ob an einem fertigen Teil ein Relief direkt ins Auge springt oder nicht. Und das so zu automatisieren das immer optimale Ergebnisse gewährleistet sind, ist bis heute nicht gelungen. Unter anderem deshalb ziehen es viele große Firmen vor, entweder alle Aufträge nach außen zu vergeben, wenngleich sich rechnerisch ein Gerät bereits lohnen würde, oder sie erwerben eine Stereolithographieanlage fürs eigene Haus und mieten den Betrieb gleich mit dazu. Wie bei STL lassen sich beim Lasersintern beliebige 3D-Objekte generieren was mit Spritzgußteilen oft nicht möglich ist. Beim Spritzguss besteht ein Teil nicht selten aus drei oder gar vier zusammengesteckten Einzelteilen, wie etwa bei manchen Steckerverbindungen, aus dem Bereich Telekommunikation. Im Gegensatz zu STL findet beim Laser Sintern ein Pulver Verwendung, das mit einem Infrarot Laser thermisch geschmolzen und durch Abkühlung ausgehärtet wird. Daraus ergeben sich Vor- aber auch Nachteile. Unbestreitbarer Vorteil vom Sintern ist, dass Polyamide eingesetzt werden können, die bei manchen Materialeigenschaften die Nase vorn haben. Mit STL hingegen lässt sich eine höhere Auflösung erzielen - die Optik und Haptik der Teile ist deutlich besser. Durch Sintern hergestellte und nicht nachbearbeitete Teile sind sofort durch die pulver-rauhe Struktur erkennbar. Bei mit STL hergestellten Teilen ist häufig erst beim zweiten Hinschauen überhaupt eine Stufung zu erkennen. Das liegt nicht zuletzt an der verwendeten Wellenlänge. Beim thermischen Sintern werden im Infraroten emittierende Laser eingesetzt, bei STL gepulste, diodengepumpte Festkörperlaser bei einer Emissionswellenlänge von 355 nm – und kurzwelligere Strahlung lässt sich besser fokussieren. Die Nase vorn hat STL aber auch beim Verzug. Zwar schrumpfen auch Photopolymer-Harze bei der Aushärtung, dennoch treten beim Lasersintern, bedingt durch den thermisch induzierten Prozess und auftretende Temperatur Gradienten, weit mehr Spannungen auf als bei STL, was sich nachteilig auf die Präzision auswirkt. Unterm Strich haben beide Verfahren aber ihre Berechtigung - es muss von Fall zu Fall entschieden werden welches besser geeignet ist. Die Auflösung von STL-Teilen ist hauptsächlich durch zwei Faktoren bestimmt. Zum einen wird nach jedem Belichtungs-Schritt die Plattform nach unten gesenkt und eine mit Harz gefüllten Lamelle über die Oberfläche geführt, die neues Material aufbringt. Die Höhe der Absenkung bestimmt die vertikale Auflösung. Kleine Schritte treiben Produktionszeit und Kosten in die Höhe, weshalb meist nicht ans Auflösungslimit gegangen, sondern um die 100-µm-Schritte verfahren wird. Zum anderen wird die maximale horizontale Auflösung auch wesentlich durch Strahlqualität und Strahlrichtungsstabilität des Lasers bestimmt. Je besser die Werte, umso höher die erzielbare Auflösung, umso besser die Oberflächengüte. Doch gute Strahlqualität hat einen weiteren positiven Nebeneffekt: Harze halten länger. Nicht ohne Grund werden in einer STL Werkshalle die Fenster mit UV undurchlässiger Folie verklebt, nicht ohne Grund schimmern die Neonröhren an der Decke gelblich. Denn UV Streulicht führt über die Zeit zu Teilaushärtung der Photopolymere, was irgendwann einen kompletten Austausch nötig machen könnte – bei Preisen je Kilogramm oberhalb von 180 Euro ein schmerzhafter Vorgang. Ganz entschieden zur Akzeptanz von STL tragen aber auch Beschichtungsprozesse bei, sei es Galvanik, Lackieren oder Bedampfen. Gerade die Galvanik beeinflusst nicht nur die Optik, sondern verbessert zusätzlich Festigkeit, Elastizität, Härte, Abriebsfestigkeit oder chemische Beständigkeit. In der Galvanik sind häufig Nickel oder Kupfer – das dann in einem weiteren Galvanik-Schritt verchromt werden kann – die Metalle der Wahl. Wenn Teile anschließend noch lackiert werden, sind sie wenn überhaupt nur vom Fachmann von konventionell gefertigten Teilen optisch zu unterscheiden. Ein weiterer gewichtiger Grund für die steigende Bedeutung von STL hat mit der Dynamik der Wettbewerbssituation zu tun. Denn wer weniger Zeit von der Produkt-Idee zur Serie benötigt ist nicht nur schneller am Markt, sondern kann auch schneller dazu lernen. Und wer sich schneller verbessert als die Konkurrenz ist irgendwann der Beste. Oder er ist schneller, was etwa im Formel-1-Bereich über Sieg oder Niederlage entscheiden kann. STL gehört im Rennsport mittlerweile zum Stand der Technik. Das der intelligente Einsatz trotzdem immer noch Wettbewerbsvorteile bringt, lässt sich daran erkennen das Teams gerne Teile überlackieren, damit die Konkurrenten nicht auf den ersten Blick erkennen können, was im Schichtbauverfahren hergestellt wurde. All diese Verbesserungen haben dazu geführt, dass Stereolithographie heute zunehmend in der Serienfertigung zum Einsatz kommt – über Produktlebenszeiten von bis zu mehreren Jahren. Mit dem Matrix UV hat Coherent die Zeichen der Zeit erkannt und einen speziell für Stereolithographie Anwendungen optimierten, luftgekühlten Laser auf den Markt gebracht. Durch seine industrielle Zuverlässigkeit und exzellenten Strahleigenschaften ermöglicht er den Schritt von Rapid Prototyping zu Rapid Manufacturing. Die Fokussierbarkeit des Matrix UV liegt sehr nahe am durch Beugung begrenzten Limit und die Strahlrichtungsstabilität ist ausgesprochen gut. Das liegt vor allem an der PermAlign-Technik, bei der die Resonator-Optiken direkt auf metallische oder keramische Trägersubstrate gelöteten werden. Diese von Coherent am Standort Lübeck entwickelte und zig-tausendfach in die Serie überführte Technik ist ein Garant für die thermische und mechanische Stabilität, sowie für die Zuverlässigkeit der Systeme. Und dass die Zuverlässigkeit der Lichtquelle ein zentral wichtiger Punkt bei der industriellen Fertigung auf Basis der Stereolithographie ist, daran besteht kein Zweifel. Denn bei Rapid-Prototyping erwarten Kunden zu Recht, dass der Auftrag zügig abgearbeitet wird. Dieser Forderung entsprechend liefert die Alphaform AG bei mehr als achtzig Prozent aller Aufträge innerhalb von 10 Tagen nach Auftragseingang die Teile zum Kunden. Der Matrix UV trägt dazu bei, dass diese Zeit weiter verkürzt werden kann. Sollte man heute deshalb besser von .Additive Fabrication‘ statt von ,Rapid Prototyping‘ sprechen? Eines scheint Gewiss. Die Erweiterung des Einsatzgebiets der Stereolithographie Technik vom reinen Prototyping hin zur Serienfertigung ist nicht aufzuhalten. Nicht zuletzt deshalb ist die Alphaform AG, die als Rapid Prototyping Dienstleister begann, heute ein europäisches Produktionsunternehmen mit weiterhin besten Wachstumsaussichten. „Wenngleich Wachstumsraten von 50% für Rapid Manufacturing dem ein oder anderen zu optimistisch erscheinen, im hohen zweistelligen Bereich werden Sie wie bereits in den letzten mit großer Wahrscheinlichkeit auch in den kommenden Jahren liegen“, prognostiziert Alphaform-Direktor Ralf Deuke.

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