Fortschrittliche Harze für den 3D-Druck

Eine der Hauptbarrieren dieser 3D-Harzdruck bei der Umsetzung auf industrieller Ebene immer die begrenzte Vielfalt der verfügbaren Materialien. Ursprünglich waren die einzigen verfügbaren Materialien Harze auf der Basis von Acrylat-Oligomeren, im Allgemeinen mit niedrigem Molekulargewicht, die sich durch ihre hohe Zerbrechlichkeit und schlechte mechanische und thermische Eigenschaften auszeichneten. Aus diesem Grund ist der 3D-Harzdruck bei der Herstellung von Funktionsbauteilen und Prototypen immer in den Hintergrund gedrängt worden, zugunsten thermoplastbasierter 3D-Drucktechnologien wie FDM oder SLS.

In den letzten Jahren hat sich dies jedoch dramatisch geändert. Das Aufkommen neuer technischer Harze mit fortschrittlichen Eigenschaften, die speziell für bestimmte professionelle Anwendungen entwickelt wurden hat diese Technologie in die Aufmerksamkeit vieler Branchen gerückt. Gepaart mit dem Aufkommen neuer harzbasierter 3D-Drucktechnologien wie LED-LCD , denen es gelungen ist, Kosten zu senken und die Druckgeschwindigkeit erheblich zu steigern dies ist eine praktikable Alternative , das in einigen Anwendungsbereichen sogar FDM und SLS übertreffen kann.

Diese technischen Harze lassen sich in drei Gruppen einteilen , je nach Fachrichtung:

• Harze für Schmuck
• Dentalharze
• Technische Harze

HARZE FÜR SCHMUCK

Die Schmuckindustrie war historisch gesehen die erste, die den 3D-Harzdruck implementiert hat. Dies liegt an der hohen Auflösung, die diese Technologie bietet , in der Lage, kleine Modelle im Maßstab 1:1 mit hochwertigen Oberflächen herzustellen.

Bild 1:In Harz gedrucktes Schmuckmodell. Quelle:uniz.com

Obwohl Standardharze weit verbreitet für die Herstellung von Modellen verwendet werden , was ein Vorher und Nachher bedeutete, war das Aufkommen hochwertiger gießbarer Harze. Diese Harze zeichnen sich dadurch aus, dass sie beim Kalzinieren kaum Rückstände hinterlassen, was sie zu einem perfekten Ersatz für die ursprünglich beim Gießen verwendeten Wachsmodelle gemacht hat.

Dadurch ist es möglich, den Gussbaum direkt zu drucken, ohne Formen herstellen zu müssen um die Wachsmaster herzustellen oder die Bäume manuell zusammenzubauen, was die manuellen Schritte reduziert und automatisiert den Prozess.

Video 1:traditionelle Zubereitung eines Wachsbaums. Quelle:greekerajewelry.com

Im Allgemeinen kann diese Art von Harz einen Prozentsatz an flüssigem Wachs in seiner Zusammensetzung enthalten, der dazu bestimmt ist, jegliche Ascherückstände zu beseitigen Herstellung einer sauberen Form, die für Qualitätsguss geeignet ist. Ein höherer Wachsanteil führt zu einer saubereren Kalzinierung , und mit weniger Rückständen, kann jedoch die Druckpräzision beeinträchtigen. Außerdem zeichnet sich diese Harzart in der Regel durch einen sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten aus.

Derzeit gibt es auf dem Markt viele Optionen für hochwertige kalzinierbare Harze, die sowohl mit SLAs als auch mit DLPs oder LED-LCDs kompatibel sind. Formlabs „Castable Wax“-Harze mit 20 % Wachs oder ZWax Purple mit 10 % Wachs, die mit DLP- und LED-LCD-Druckern kompatibel sind, zeichnen sich durch ihre Kombination aus geringen Rückständen, geringer Wärmeausdehnung und hoher Präzision aus.

Bild 2:Ring bedruckt mit zWax Purple. Schriftart:Uniz.com

ZAHNHARZE

Neben Schmuck war der Dentalsektor einer der ersten, der den 3D-Harzdruck einführte und ist heute der am schnellsten wachsende Sektor mit der größten Auswahl an Materialien.

Dentalkunststoffe können im Allgemeinen in vier Kategorien eingeteilt werden entsprechend ihrer Anwendung:

• Harze für Zahnmodelle.
• Harze für Retainer und Schienen.
• Kunststoffe für provisorische Kronen und Brücken
• Brennbare Harze

Harze für Zahnmodelle

Dies sind Harze, dienicht für den Kontakt mit dem Patienten bestimmt sind. Sie werden im Allgemeinen für die Herstellung von Patientenmodellen verwendet, an denen der Zahnarzt oder Mediziner arbeiten kann, um Eingriffe zu planen oder Elemente wie Kronen oder Brücken zu testen. Sie haben eine ähnliche Zusammensetzung wie Standardharze und sollen vor allem eine hohe Präzision und Auflösung aufweisen sowie niedrige Produktionskosten.

Bild 3:3D-gedrucktes Modell mit Harz. Quelle:Uniz.com

Bei diesen Harzen ist es auch wichtig, dass sie bestimmte ästhetische Qualitäten aufweisen, wobei zwei Gruppen unterschieden werden:

• Harze mit matter Oberfläche, die die Visualisierung und Fotografie der Modelle erleichtern und das Auftreten von Reflexionen so weit wie möglich vermeiden. Unter dieser Harzart sticht das Dental Model-Harz von Formlabs mit einer gipsähnlichen Oberfläche hervor.
• Harze, die ein realistisches Aussehen bieten, wie z. B. Dental Pink-Harz von Harzlabs.

Kunststoffe für Retainer und Schienen

Diese Harze sind zur Herstellung von Retainern und Schienen bestimmt daher müssen sie zusätzlich zu einer Biokompatibilität von mindestens Klasse IIa eine hervorragende Verschleiß- und Bruchfestigkeit aufweisen

Ein weiteres gemeinsames Merkmal ist, dass sie meistens aus ästhetischen Gründen sehr transparent sind

Video 2:Herstellung von Schienen mittels 3D-Harzdruck. Quelle:Formlabs.com

Neben der Herstellung von Retainern und Schienen finden sie aufgrund ihrer guten Verträglichkeit und hervorragenden mechanischen Eigenschafteneine breite Anwendung bei der Herstellung von Bohrschablonen . Einige Hersteller wie Formlabs bieten ein spezielles Harz für diese Anwendung an, z. B. Dental Surgical Guide Harz, das größere Flexibilität bietet

Bild 4:Mit SLA gedruckte Bohrschablonen. Quelle:Formlabs.com

Es ist möglich, Harze zu finden, die für die Herstellung von Schienen und Retainern entwickelt wurden, die sowohl mit SLA wie Formlabs Dental LT als auch mit DLP und LED-LCD wie Dental Clear von Harzlabs kompatibel sind.

Kunststoffe für provisorische Kronen und Brücken

Dies sind Harze, die zur Herstellung von Brücken, Kronen, Restaurationen und provisorischen Veneers verwendet werden . Sie müssen biokompatibel sein und ein ähnliches Finish wie die Originalzähne aufweisen.

Um dieses Finish im Allgemeinen zu erzielen, werden Keramikkomponenten und Malfarben verwendet, die Farbtöne innerhalb der VITA-Skala liefern.

Bild 5:VITA-Farbkarte. Quelle:vita-zahnfabrik

Nach dem Drucken können diese Harze poliert und mit lichthärtenden Veneers schattiert werden um das ideale Finish für jeden Patienten zu erhalten.

Das Temporary CB-Harz von Formlabs ist in vier VITA-Farbtönen (A2, A3, B1 und C2) und das Dental Sand-Harz von Harzlabs in den Farbtönen A1 und A2 erhältlich.

Kalzinierbare Harze

Harze ähnlich denen, die in Schmuck verwendet werden In diesem Fall ist die Notwendigkeit, so wenig Abfall wie möglich zu produzieren, noch wichtiger.

Sie werden hauptsächlich bei der Herstellung von Modellen für die Herstellung von Zahnimplantaten verwendet durch Gießen. Das Harzlabs Dental Gießharz sticht mit einem Rückstand von weniger als 0,1 % hervor.

TECHNISCHE HARZE

Der Industrie- und Maschinenbausektor war schon immer am zögerlichsten bei der Implementierung des 3D-Harzdrucks. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Harze auf mechanischer und thermischer Ebene nicht mit den für FDM verfügbaren technischen Materialien oder den in SLS verwendeten Polyamiden konkurrieren können.

Dies gilt zwar auch heute noch, aber in den letzten Jahren haben Materialfortschritte und das Aufkommen neuer technischer Harze die Lücke zwischen verschiedenen 3D-Drucktechnologien geschlossen. Es gibt drei Gruppen von technischen Harzen:

• Harze mit verbesserten mechanischen Eigenschaften
• Harze mit verbesserten thermischen Eigenschaften
• Flexible und elastische Harze

Harze mit verbesserten mechanischen Eigenschaften

Dies sind Harze, die mit dem Ziel entwickelt wurden, eine geringere Zerbrechlichkeit und einen höheren Modul als Standardharze zu bieten. Während Standardharze wie Harzlabs Basic Resin eine Zugfestigkeit von 20 MPa bieten, bieten neue technische Harze wie Ultracur3D RG50 von BASF bieten eine Zugfestigkeit von bis zu 68 MPa, dreimal höher. Diese Zugfestigkeit ist sogar höher als die von ABS-Filamenten und nahe an Materialien wie belastungsverstärktem Nylon.

Technische Harze mit anderen spezifischen Eigenschaften, wie z. B. hoher Verschleißfestigkeit oder schlagfesten Harzen, sind ebenfalls erschienen.

Bild 6:Vergleich der Schlagfestigkeit verschiedener Formlabs-Harze. Quelle:Formlabs.com

Unter den Harzen mit hoher Schlagzähigkeit sticht die Ultracur3D High Impact-Reihe von BASF hervor . Diese Harze bieten eine Zugfestigkeit von 50 MPa bei einer Bruchverformung von 56 %, einen Biegemodul von 1700 MPa und eine Schlagzähigkeit von 1,39 J/m2. Damit eignen sie sich ideal für die Herstellung von mechanischen Komponenten und Funktionsprototypen.

Bild 7:BASF-Harz Ultracur3D RG35. Quelle:forward-am.com

Harze mit verbesserten thermischen Eigenschaften

Thermische Beständigkeit war schon immer einer der Schwachpunkte von 3D-Druckharzen . Im Allgemeinen haben alle Harze Erweichungstemperaturen zwischen 50°C und 80°C.

Bild 8:Vergleich der Wärmeformbeständigkeit verschiedener Formlabs-Harze. Quelle:Formlabs.com

Derzeit sind nur sehr wenige Harze für Hochtemperaturanwendungen verfügbar, wobei das Hochtemperaturharz von Formlabs das wichtigste ist. Dies ist ein Harz, das nach dem Aushärten Temperaturen von bis zu 142 °C standhalten kann (unter einer Belastung von 0,45 MPa). Der Hauptvorteil dieses Harzes besteht darin, dass es möglich ist, seine Wärmebeständigkeit auf bis zu 238 ºC zu erhöhen, indem die Teile einer Wärmebehandlung unterzogen werden bestehend aus dem Erhitzen auf 60 ºC für eine Stunde und dann für eineinhalb Stunden auf 160 ºC.

Flexible und elastische Harze

Eines der wichtigsten Nachteile von 3D-Druckharzen war schon immer ihre hohe Sprödigkeit , eine Eigenschaft, die in der Technik nicht erwünscht ist. Aus diesem Grund war das Erscheinen flexibler und elastischer Harze in den letzten Jahren eine Revolution.

Bild 9:Vergleich von flexiblem 80A-Harz und elastischem 50A-Harz Quelle:FormLabs.

Heute gibt es mehrere Optionen für SLA und LED-LCD. Bei SLA fallen die flexiblen 80A- und elastischen 50A-Harze auf. Flexible 80A ist ein hochflexibles Harz mit 120 % Bruchverformung und 80 Shore A Härte, während Elastic 50A ein Harz mit guter Elastizität, 160 % Bruchverformung und 50 Shore A Härte ist.

Einer der wichtigsten Fortschritte bei dieser Art von Material ist jedoch die neue Produktlinie flexibler und elastischer Harze von BASF. Dies sind Harze auf der Basis von Urethan-Acrylat-Oligomeren und bieten die größte Flexibilität und Elastizität unter den heute erhältlichen Harzen BASF Ultracur3D FL300 beispielsweise bietet mit einer Härte von nur 37 Shore A eine Bruchverformung von bis zu 306 %.

Bild 10:BASF-Harz Ultracur3D FL60. Quelle:forward-am.com

In den letzten Jahren ist die Palette der Materialien für den 3D-Harzdruck exponentiell gewachsen, einschließlich neuer Materialien mit Eigenschaften, die denen von Thermoplasten für FDM entsprechen und diese in einigen Fällen sogar übertreffen. Dies, zusammen mit der Tatsache, dass der 3D-Harzdruck eine überlegene Isotropie gegenüber der durch FDM erzielten bietet, macht ihn zu einer praktikablen Option in vielen industriellen und technischen Anwendungen.