Photopolymere erklärt: Grundlagen & Anwendungen

Der Begriff Photopolymer bezeichnet eine Klasse von lichtempfindlichen Harzen, die unter Einwirkung von ultraviolettem (UV) Licht aushärten. Wenn das flüssige Photopolymer-Harz mit einer UV-Lichtquelle – typischerweise einer Lampe, einem Laser oder einem Projektor – in Kontakt kommt, wandeln Photoinitiatoren diese Lichtenergie in chemische Energie um. Dann verbinden sich Oligomere oder „Binder“ und Monomere, härten aus und bilden Bindungen, die die Polymerstruktur schaffen. Photopolymere sind entweder Thermoplaste, die bei hohen Temperaturen schmelzen, oder Duroplaste (Thermosets), was bedeutet, dass sie nach dem Aushärten durch Hitze nicht mehr geschmolzen oder umgeformt werden können.

Photopolymere stellen den größten Anteil des additiven Fertigungsmaterialmarktes dar und haben eine Vielzahl von Anwendungen. Heute sind Photopolymere gängige Kandidaten für Teile in der Dentalindustrie und werden häufig bei Zahnverklebungen oder Schutzbeschichtungen eingesetzt. Klebstoffe auf Photopolymer-Harzbasis werden auch breit verwendet, um Katheter, medizinische Filter, Operationsmasken und sogar Spezialelektronik herzustellen.

Hier ist ein Crashkurs zu diesem populären Material und seiner Verwendung, plus wichtige Überlegungen für Ingenieure.

Photopolymer-3D-Druckprozesse

Photopolymere sind mit einer Reihe additiver Fertigungsprozesse kompatibel. In all diesen Prozessen wird ein Harz mit Licht gehärtet, dann wird ein vollständiges Teil oder ein Prototyp Schicht für Schicht aufgebaut bis zur Fertigstellung. Die beliebtesten Photopolymer-3D-Druckprozesse umfassen Folgendes:

Stereolithographie (SLA)

Stereolithographie (SLA) ist der ursprüngliche Photopolymer-3D-Druckprozess. Während des Drucks schießt ein Laser hochkonzentrierte Strahlen ultravioletten Lichts (wie ein Laser) auf die Oberfläche eines Bades aus Photopolymer-Harz.

Der Laser verfestigt einzelne Harzschichten auf einer Plattform, bis das finale Teil fertiggestellt ist. Im Fall von invertierter SLA wird der Projektor unten platziert und die Plattform bewegt sich nach oben, bis der Druck abgeschlossen ist. Mit dem Prozess hergestellte Teile weisen außergewöhnliche Oberflächenqualität auf, sind aber typischerweise nicht so stark wie Teile, die mit anderen Prozessen wie Fused Deposition Modeling (FDM) hergestellt werden.

Digital Light Synthesis (DLS)

Carbon® Digital Light Synthesis (DLS)™, früher bekannt als Continuous Liquid Interface Production (CLIP), nutzt einen digitalen Projektor zum Bau von Teilen. Dieser photochemische Prozess projiziert UV-Licht durch ein UV-transparentes, sauerstoffdurchlässiges Fenster am Boden des Bades. Die Sequenz von UV-Bildern wird durch das Fenster in das Photopolymer-Harz projiziert, wodurch das Teil aushärtet und die Bauplattform ansteigt.

DLS ist ein kontinuierlicher und schneller Druckprozess aufgrund einiger dieser Prozessverbesserungen. Die meisten über DLS verfügbaren Materialien sind jedoch ein Zweikomponenten-Aushärtungssystem, was bedeutet, dass sie nach dem Druck einen thermischen Nachbrennvorgang benötigen, um ihre endgültige Form und Eigenschaften zu erreichen. Dieser zweite Backschritt ermöglicht es dem Druckprozess, schneller zu sein und höherwertige Materialeigenschaften mit außergewöhnlicher Steifigkeit und Festigkeit zu produzieren. Ingenieure greifen auf DLS zurück, wenn sie kleine, isotrope Teile mit exzellenten mechanischen Eigenschaften erstellen möchten.

PolyJet

PolyJet nutzt kein Bad aus flüssigem Photopolymer-Harz zum Bau von Teilen, was es von SLA und DLS unterscheidet. Stattdessen wird eine Schicht des Harzes auf eine Gel-Matrix gesprüht und nach Abschluss des Fertigungsprozesses wieder aufgelöst.

Mit diesem Prozess hergestellte Teile sind nicht für ihre Festigkeit bekannt und sind hochempfindlich gegenüber UV-Strahlen. Glücklicherweise machen PolyJet-Teile das, was ihnen an Festigkeit fehlt, durch Auflösung wett. PolyJet ist der 3D-Druckprozess der Wahl für die Herstellung ästhetisch ansprechender Teile mit unübertroffener Oberflächenqualität.

Vor- und Nachteile von Photopolymer-Harz

Photopolymere haben Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen, aber diese Anwendungen sind im Allgemeinen hochspezialisiert. Photopolymer-Harze sind nicht besonders stark oder langlebig im Vergleich zu ähnlichen hochfesten Spritzgießmaterialien und anfällig für Kriechen nach längerer Belastung mit schweren Lasten. Ingenieure können jedoch kleine, hochauflösende Prototypen mit ebenen Oberflächen und komplexen Geometrien mit diesem Harz erstellen. Für jede Anwendung müssen Ingenieure ihre spezifischen Anforderungen verstehen und ob die verfügbaren Materialien geeignet sind.

Mit Photopolymer-Harz starten

Ungeachtet der Beschränkungen sieht die Zukunft der Photopolymere vielversprechend aus. Verschiedene Arten von Photopolymeren weisen bereits einzigartige chemische und mechanische Eigenschaften auf, die für eine Reihe spezifischer Anwendungsfälle ideal sind. Und da die Technologie fortschreitet, werden Photopolymere unweigerlich evolvieren, sodass Hersteller und Produktteams die Vorteile des Materials nutzen können, ohne bei Haltbarkeit oder Oberflächenqualität Kompromisse einzugehen.

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