Stereolithographie (SLA): So funktioniert der Harzdruck

Die Angaben auf dieser Seite stammen aus der Norm ISO/ASTM 52900, aus dem Patent von Chuck Hull, aus den Unterlagen von Formlabs, Prusa und 3D Systems, aus einem Sicherheitsdatenblatt und von der Berufsgenossenschaft BG ETEM. Die Quellen stehen am Ende.

Was ist Stereolithographie (SLA)?

Stereolithographie, kurz SLA, ist ein 3D-Druck-Verfahren, bei dem Licht ein flüssiges Kunstharz Schicht für Schicht aushärtet. Das Harz, auch Resin genannt, steht in einem Becken. Wo das Licht auftrifft, wird es fest. In der Norm ISO/ASTM 52900 gehört SLA zur badbasierten Photopolymerisation (VPP). Geschrieben wird das Wort mal mit ph, mal mit f, gemeint ist dasselbe.

Mit SLA verwechselt wird oft das selektive Lasersintern (SLS). Das arbeitet nicht mit Harz, sondern mit Kunststoffpulver, das ein Laser verschmilzt.

Was ist der Unterschied zwischen SLA, DLP und MSLA?

Alle drei härten Harz mit Licht, sie unterscheiden sich nur in der Lichtquelle:

SLA mit Laser: Ein UV-Laser fährt jede Schicht Punkt für Punkt ab, gelenkt über bewegliche Spiegel. So arbeiteten zum Beispiel die Formlabs-Drucker Form 1+, Form 2 und Form 3.
DLP: Ein Projektor belichtet die ganze Schicht auf einmal.
MSLA, auch LCD-Druck: Eine Fläche aus UV-LEDs leuchtet durch einen LCD-Bildschirm, der wie eine Maske nur die Stellen der Schicht durchlässt. Formlabs nennt das Masked Stereolithography. Der Form 4 von Formlabs arbeitet so, mit 60 LEDs und 405 nm, ebenso der Prusa SL1S und Harzdrucker für zu Hause wie die Photon-Mono-Reihe von Anycubic.

Die Berufsgenossenschaft BG ETEM behandelt SLA, MSLA und DLP gemeinsam, weil bei allen dreien flüssiges Kunstharz unter Licht aushärtet. Für dich heißt das: Die Hinweise zu Harz, Reinigung und Sicherheit auf dieser Seite gelten für alle drei.

Wie ist ein SLA-Drucker aufgebaut?

Ein SLA-Drucker ist ein 3D-Drucker, der flüssiges Harz mit Licht Schicht für Schicht härtet. Ein Gerät für den Tisch besteht aus diesen Bauteilen:

Lichtquelle: Laser mit beweglichen Spiegeln, Projektor oder LED-Fläche mit LCD-Maske.
Harzbecken: Das Becken, auch Tank oder Wanne, hat bei Tischgeräten einen durchsichtigen Boden, durch den das Licht von unten auf das Harz fällt.
Bauplattform: An ihr hängt das Objekt kopfüber und wächst Schicht für Schicht nach unten.
Harzvorrat: Bei manchen Geräten fließt Harz aus einem Vorratsbehälter ins Becken nach.
Haube: Sie hält Umgebungslicht und Staub vom Harz fern.

Aufbau eines SLA-Druckers mit Laser, Spiegel, Harzbecken, Druckbett und Deckel — Aufbau eines SLA-Druckers mit Laser, der von unten durch das Becken belichtet. Infografik von Sercan Kahraman, CC BY-SA, threedom.de

Wie funktioniert das SLA-Verfahren?

Licht härtet das flüssige Harz Schicht für Schicht, nach jeder Schicht bewegt sich die Plattform um eine Schichtdicke weiter. Dafür gibt es zwei Bauweisen. Bei Tischgeräten taucht die Plattform von oben ins Becken, und das Licht kommt von unten. So läuft ein Druck auf einem solchen Gerät ab:

Modell vorbereiten: Ein Slicer wie PreForm von Formlabs oder PrusaSlicer ordnet das Modell an, setzt Stützen und zerlegt es in Schichten. Beide lesen STL, OBJ und 3MF. Mehr dazu: 3D-Dateiformate.
Harz einfüllen: Das Becken wird mit Harz gefüllt, Haube zu.
Erste Schicht: Die Plattform senkt sich ins Harz, bis zwischen ihr und dem Beckenboden nur noch eine Schichtdicke Platz ist. Das Licht härtet diese Schicht, sie haftet an der Plattform.
Lösen und Weiterbauen: Die Plattform hebt sich, die frische Schicht löst sich vom Boden, frisches Harz fließt nach. Formlabs nutzt dafür beim Form 4 einen biegsamen Beckenboden, Prusa kippt beim SL1S das Becken.
Wiederholen: Schicht für Schicht wächst das Objekt kopfüber, bis es fertig ist.

Die zweite Bauweise beschreibt schon das Patent von Chuck Hull: Das Licht trifft von oben auf die Oberfläche des Harzes, und das Objekt sinkt nach jeder Schicht um eine Schichtdicke tiefer ins Becken. Bei großen Anlagen wie der SLA 750 von 3D Systems mit 750 × 750 × 550 mm Bauraum zieht ein Beschichter das Harz glatt.

Die Schichten sind sehr dünn: Formlabs gibt für den Form 4 25 bis 200 Mikrometer an, Prusa für den SL1S 0,025 bis 0,1 mm, 3D Systems für die SLA 750 50 bis 150 Mikrometer.

Video: „Guide to Stereolithography (SLA) 3D Printing“ von Formlabs auf YouTube, auf Englisch.

Wie genau ist der SLA-Druck?

Für den Form 4 gibt Formlabs je nach Teilgröße eine Toleranz von ±0,15 % an, mindestens ±0,02 mm, bei Teilen bis 150 mm bis ±0,3 %. Gemessen hat Formlabs das mit einem Standardharz, 100 Mikrometern Schichtdicke und Nachhärtung. Bei kleinen Merkmalen bis 30 mm ist das enger als die ±0,2 mm, die Stratasys für den Industrie-FDM-Drucker F370 nennt. Bei größeren Teilen liegen beide Angaben nah beieinander. Mehr dazu: FDM und SLA im Vergleich.

Welche Materialien gibt es für SLA?

Für SLA gibt es Harze für viele Zwecke, Formlabs allein führt für den Form 4 23 Materialien. Die wichtigsten Gruppen:

Standardharze: grau, weiß, schwarz oder klar, für Modelle und Prototypen.
Glasgefüllte Harze: sehr steif, mit glatter, matter Oberfläche, etwa Rigid 4000 von Formlabs.
Harze für Werkzeuge: zum Beispiel für Formen, in die Kunststoff gespritzt wird, wie Rigid 10K von Formlabs.
Gießharze: Sie verbrennen ohne Rückstand und dienen als Modell für den Feinguss, etwa für Schmuck. Castable Wax Resin von Formlabs enthält 20 % Wachs.
Harze für Zahnmedizin und Medizin: etwa für Bohrschablonen und Schienen.
Wasserwaschbare Harze: Sie lassen sich mit Wasser statt Alkohol reinigen. Das Spülwasser gehört trotzdem nicht in den Abfluss.

Mehr zu den Harzen steht unter 3D-Drucker-Material.

Wofür wird das SLA-Verfahren verwendet?

SLA wird für Teile genutzt, bei denen es auf feine Details und glatte Oberflächen ankommt. Chuck Hull nannte in seinem Patent Modelle und Prototypen in der Produktentwicklung. Heute kommen dazu: Modelle für den Feinguss von Schmuck, Formen für kleine Serien im Spritzguss, Bohrschablonen und Schienen in der Zahnmedizin und Modelle, bei denen es auf jedes Detail ankommt.

Wie wird ein SLA-Druck nachbearbeitet?

Ein SLA-Druck muss fast immer gewaschen und nachgehärtet werden, bevor er seine Festigkeit erreicht. Formlabs beschreibt den Ablauf so:

Waschen: Das Teil kommt noch auf der Plattform in Isopropanol (IPA), für die meisten Harze mit mindestens 90 %. Im Form Wash dauert das in der Grundeinstellung 10 Minuten.
Ablösen: Das Teil wird von der Plattform gelöst.
Trocknen: Mindestens 30 Minuten, erst dann wird nachgehärtet.
Nachhärten: Unter UV-Licht und Wärme. Wie lange und wie warm, hängt vom Harz, vom Gerät und von der Form des Teils ab, die Werte stehen beim Hersteller.

Danach entfernst du die Stützen und schleifst die Ansatzpunkte glatt.

Spüle Teile nicht unter laufendem Wasser ab, auch nicht bei wasserwaschbarem Harz. Die Harzreste landen sonst im Abwasser.

Wie du ein Teil für SLA konstruierst, damit es sich gut drucken lässt, steht unter Konstruieren für die Stereolithographie.

Ist Resin gefährlich?

Ja, flüssiges Harz ist ein Gefahrstoff: Es kann eine Hautallergie auslösen und reizt die Augen stark. Das Sicherheitsdatenblatt eines Standardharzes von Formlabs nennt dazu H317, H319 und H411 (giftig für Wasserorganismen). Ein Standardharz von Elegoo reizt laut Datenblatt außerdem Haut und Atemwege (H315, H335). Lies deshalb das Datenblatt deines Harzes.

Die BG ETEM rät:

Hautkontakt mit flüssigem Harz vermeiden, Schutzhandschuhe aus Nitril tragen.
Eine Schutzbrille tragen, dazu lange Ärmel.
Verschmutzte Kleidung sofort wechseln.
Drucker, Waschgerät und Nachhärtegerät in einen gut gelüfteten Raum stellen, in dem du dich nicht ständig aufhältst.

Kommt Harz auf die Haut, wasch es sofort mit Wasser und Seife ab. Kommt es ins Auge, spül es mehrere Minuten mit Wasser aus und hol bei anhaltender Reizung ärztlichen Rat.

Auch das Isopropanol zum Waschen braucht Vorsicht. Laut BG ETEM hat es einen Flammpunkt von 12 °C, ist also leicht entzündlich, und seine Dämpfe können schläfrig machen. Bei Stichproben der BG ETEM schlossen Waschgeräte mehrerer Hersteller nicht dicht. Lass das Isopropanol deshalb nicht über Nacht im Waschgerät stehen und verschließ die Flasche nach Gebrauch. Halte Flammen und Funken fern und lüfte gut. Formlabs empfiehlt für seine Geräte einen Raum mit mindestens drei Luftwechseln pro Stunde.

Bei einer orientierenden Messung im Auftrag des Umweltbundesamts waren an einem SLA-Drucker (Formlabs Form 2) und einem Nachhärtegerät keine Partikel nachweisbar. Über Dämpfe aus dem Harz und über LCD-Drucker sagt diese Messung nichts.

Wie entsorgst du Harz und Isopropanol?

Flüssiges Harz gehört nicht in den Abfluss und nicht in den Hausmüll. Formlabs nennt diese Wege:

Flüssiges Harz: am besten als Chemieabfall abgeben, etwa beim Schadstoffmobil. Geht das nicht, gieß eine kleine Menge in ein durchsichtiges, beschriftetes Gefäß und stell es in die Sonne, bis es nach 1 bis 10 Tagen ganz ausgehärtet ist.
Ausgehärtete Teile und Harzreste: in den Hausmüll.
Tücher und Handschuhe mit Harz: erst aushärten lassen, dann in den Hausmüll.
Gebrauchtes Isopropanol: als Sonderabfall. Frag beim Abfallbetrieb deiner Stadt nach, wo du es abgeben kannst.

Wer hat die Stereolithographie erfunden?

Als Erfinder gilt Chuck Hull. Er meldete am 8. August 1984 das Patent „Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography“ an, erteilt wurde es am 11. März 1986 als US 4,575,330. Anmelder war sein damaliger Arbeitgeber UVP. Laut 3D Systems druckte Hull 1983 sein erstes Teil, gründete 1986 die Firma 3D Systems mit und brachte 1987 mit der SLA-1 den ersten Drucker auf den Markt.

Früher angemeldet hatten andere: Hideo Kodama in Japan 1980 und die französische Firma CILAS mit den Erfindern Jean-Claude André, Alain Le Méhauté und Olivier de Witte am 16. Juli 1984, gut drei Wochen vor Hull. Anders als die französische Anmeldung trägt Hulls Patent das Wort Stereolithography im Titel. Laut Google Patents lief es 2004 aus. Mehr dazu: Geschichte des 3D-Drucks.

Welche Vor- und Nachteile hat das SLA-Verfahren?

Vorteile:

Sehr dünne Schichten ab 25 Mikrometern und glatte Oberflächen.
Hohe Maßhaltigkeit, beim Form 4 laut Formlabs ±0,15 % bei kleinen Teilen.
Viele Spezialharze, von steif über gießbar bis medizinisch.
Große Bauräume bei Industrieanlagen.

Nachteile:

Flüssiges Harz kann Allergien auslösen, du brauchst Handschuhe und Schutzbrille.
Fast jedes Teil muss gewaschen und nachgehärtet werden.
Fast jedes Teil braucht Stützen.
Isopropanol ist leicht entzündlich, Harz und Waschmittel müssen gesondert entsorgt werden.

Die Harzdrucker in unserer Bestenliste arbeiten alle mit LCD (MSLA), nicht mit Laser. Drei davon: