Was ist der 3D-Harzdruck?

WIE FUNKTIONIERT DAS? WOZU DIENT ES?

Die Stereolithografie ist eine Form des Harz 3D Druck, die auch als Photopolymerisation bezeichnet wird, was allgemein auch als 3D-Druck mit Harz bezeichnet wird. Alle diese Drucker arbeiten mit einer Lichtquelle, z. B. einem Laser, einem Projektor oder UV-Licht, um verschiedene Arten von flüssigen Druckmaterialien in festen Kunststoff zu verwandeln. Dieser Leitfaden zum 3D druck Harz wird Ihnen helfen zu verstehen, wie das funktioniert.

WIE KAM ES ZUR STEREOLITHOGRAFIE?

Dr. Hideo Kodama, ein japanischer Forscher, kam in den 1970er Jahren auf die Idee des stereolithografischen Schichtaufbaus. Es gelang ihm, die ersten 3D-Teile durch Aushärtung lichtempfindlicher Polymere mit UV-Licht herzustellen.

Hideo Kodama

Charles W. Hull war es dann, der das Wort "Stereolithographie" erfand. Im Jahr 1986 erhielt er ein Patent für diese Technologie und gründete 3D Systems, um sie zu verkaufen. Laut Hull funktionierte die Methode, indem dünne Schichten eines Materials "gedruckt" werden, die bei Einwirkung von ultraviolettem Licht aushärten.

Obwohl der SLA-3D-Druck als erster eingesetzt wurde, war er nicht das erste weit verbreitete 3D-Druckverfahren. Als die Patente 2009 abzulaufen begannen, machte der kleinformatige Desktop-3D-Druck die additive Fertigung zugänglicher, aber eigentlich war das Fused Deposition Modeling (FDM) die erste additive Fertigungstechnik, die auf Desktop-Plattformen eingesetzt wurde.

FDM-3D-Drucker (Fused Deposition Modeling) erfüllen jedoch nicht alle professionellen Anforderungen, aber sie erhielten die Unterstützung der Hersteller verantwortlich gemacht, d. h. der Menschen, die den 3D-Druck als neue Art der Teileherstellung kennen und akzeptieren und die nicht das Geld für die SLA-Technologie haben.

WELCHE VORTEILE BIETEN HARZGEDRUCKTE TEILE?

Mit Harz gedruckte 3D-Teile bieten die beste Auflösung, Präzision, schärfere Details und glattere Oberflächen von allen für den 3D-Druck verwendeten Techniken, wenn auch wenn Kosten der Nachbearbeitung, die mit der Entfernung der Halterungen verbunden ist.

Darüber hinaus haben die Materialhersteller in den letzten Jahren neue Verfahren zur Herstellung neuartiger Harze entwickelt, die ein breites Spektrum an optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften aufweisen, die mit denen herkömmlicher Thermoplaste vergleichbar sind und immer neue technische und industrielle Anwendungen ermöglichen.

Mit der Verbesserung des 3D-Harzdrucks ändert sich auch die Art und Weise, wie Prototypen und Produkte in Unternehmen hergestellt werden. Da die Technologie immer billiger und einfacher zu handhaben ist und die Hardware und die Materialien immer besser werden, um den Anforderungen und Möglichkeiten des Marktes gerecht zu werden, fügen Designer, Ingenieure und andere diese Technologie in ihre Arbeitsabläufe während des gesamten Entwicklungsprozesses ein.

Fachleute aus den verschiedensten Bereichen nutzen dieses hochauflösende, hochpräzise 3D-Druckverfahren, um Prototypen und Produktionen schneller zu entwickeln, Produktionsprozesse zu verbessern und sogar völlig neue Geschäftsmodelle zu entwickeln.

Schließlich können mit diesem hochwertigen 3D-Druckverfahren nun auch mit einigen Standardharzen voll funktionsfähige Prototypen hergestellt werden, die bei kleinen Stückzahlen sogar mit dem Spritzguss konkurrieren können.

WIE FUNKTIONIERT EIN HARZDRUCKER? WAS SIND DIE VERSCHIEDENEN STEREOLITHOGRAFIE-TECHNOLOGIEN?

Harz-3D-Drucker werden in drei Makro-Kategorien eingeteilt: SLA, DLP und MSLA. Um sie zu vergleichen, lesen Sie weiter

1. WIE FUNKTIONIERT DIE SLA-TECHNOLOGIE?

Stereolithografie (SLA) ist das traditionellste Verfahren für den 3D Druck Flüssigharz. Dabei wird eine Schicht aus lichtempfindlichem Flüssigharz einem UV-Laserstrahl ausgesetzt; das Harz verfestigt sich zu dem gewünschten Modell, und das Objekt wird Schicht für Schicht erstellt, bis es fertig ist. Dadurch ist es möglich, ein Modell mit ausgezeichneten Details zu 3D drucken.

Die Qualität dieser Technologie ist je nach Druckertyp sehr unterschiedlich. Diese Technologie hat sich zwar weiterentwickelt, ist aber aufgrund ihrer Langsamkeit, da der Laserstrahl jede einzelne Schicht wie ein Bleistift zeichnen muss, und des begrenzten Druckvolumens aufgrund der Ovalisierung des Laserpunkts an den Rändern der Konstruktion allmählich überholt. In der Praxis wurde versucht, das Problem der Größe der Druckfläche durch den Einsatz von zwei oder mehr Lasern zu überwinden, die jedoch nicht verhindern, dass eine Nahtlinie in den auf der gesamten Fläche hergestellten Teilen zu sehen ist.

2. WIE FUNKTIONIERT DIE MSLA-TECHNOLOGIE?

MSLA (Masked Stereolithography) steht immer für Stereolithografie, aber während die SLA Harz Technologie einen Laser zur Verfolgung der Schichten verwendet und aufgrund ihrer hohen Kosten häufig industriellen Anwendungen vorbehalten ist, härtet MSLA eine komplette Schicht gleichzeitig mit einer Matrix aus ultravioletten (UV) LEDs und einem LCD-Bildschirm aus. Ursprünglich durch die geringe Helligkeit von LCD-Bildschirmen und ihre schlechte Auflösung begrenzt, ersetzt es jetzt SLA aufgrund der enormen Verbesserung von LCD-Bildschirmen und der bis zu 20-mal schnelleren Produktionsgeschwindigkeit bei vergleichbarer Qualität.

3. WIE FUNKTIONIERT DIE DLP-TECHNOLOGIE?

Digital Light Processing (DLP) war ein evolutionärer Zwischenschritt zwischen SLA- und MSLA-Technologie. Diese Technologie ist von Natur aus schneller als SLA: Eine Schicht gehärteten Materials kann innerhalb von Sekunden hergestellt und schnell übertragen werden, damit die nächste Schicht gedruckt werden kann. DLP-Drucker härten das flüssige Harz mit Bogenlampen anstelle eines UV-Laserstrahls aus, was die Produktion erheblich beschleunigt, wenn auch nicht auf das Niveau der neuesten MSLA-Drucker.

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5 GUTE GRÜNDE FÜR DEN 3D-DRUCK MIT HARZ:

Ingenieure, Designer, Hersteller und andere Fachleute lieben den 3D-Druck mit Kunstharz, weil sie damit Teile mit feinen Details, glatten Oberflächen und einem Höchstmaß an Präzision und Genauigkeit sowie mechanischen Eigenschaften wie Isotropie, Undurchlässigkeit und Materialflexibilität herstellen können. Aber lassen Sie uns die Vorteile der Reihe nach aufzählen:

1.ISOTROPIE

Da beim 3D-Druck Teile durch Übereinanderlegen von Materialschichten entstehen, kann die mechanische Leistung davon abhängen, wie das Teil im Verhältnis zum Druckprozess ausgerichtet ist, und die X-, Y- und Z-Achsen können unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

Harz-3D-Drucker stellen Teile her, die dieses Problem erheblich verringern. Die Isotropie eines Teils hängt dabei von einer Reihe von Faktoren ab, die durch die Kombination von Materialchemie und Druckverfahren genau gesteuert werden können. Bei dieser Art von Druckverfahren bilden die Harzteile kovalente Bindungen, die die Leistung in der vertikalen Achse verbessern.

Diese Verbindungen machen das Teil isotrop und undurchlässig, wenn es vollständig ausgehärtet ist. Auf atomarer Ebene sind die X-, Y- und Z-Ebenen alle gleich. So entstehen Teile, die immer gleich funktionieren, was für Vorrichtungen, Endverbrauchsteile und funktionale Prototypen wichtig ist.

2. UNDURCHLÄSSIGKEIT

Aus Harz gedruckte 3D-Objekte sind einteilig, auch wenn sie feste Teile oder Kanäle im Inneren haben. Diese Fähigkeit, Wasser fernzuhalten, ist wichtig für Konstruktions- und Fertigungsaufgaben, bei denen es um die Kontrolle und Vorhersage von Luft- oder Flüssigkeitsströmungen geht. Ingenieure und Designer machen sich diese wichtige Eigenschaft zunutze, um Probleme zu lösen, z. B. bei der Luft- und Flüssigkeitsströmung in Automobilen, in der biomedizinischen Forschung und bei Konsumgütern wie Küchengeräten.

3.PRÄZISION UND TOLERANZ

Der Harz-3D-Druck wird in Branchen wie der Zahnmedizin und der klassischen Fertigung eingesetzt, um gleichbleibend genaue und präzise Teile herzustellen. Damit der Druckprozess genaue und präzise Teile hervorbringt, ist nicht nur ein geeigneter Drucker erforderlich, sondern auch eine sorgfältige Kontrolle der Produktionstemperaturen und der Harzqualität.

Die sorgfältige Einhaltung dieser Parameter beim 3D-Druck mit Kunstharz führt zu den höchsten Genauigkeiten und Toleranzen aller 3D-Drucktechnologien auf dem Markt.

Der beheizte Harzbehälter und die geschlossene Druckumgebung machen den Prozess wiederholbar und den Druck identischer Komponenten möglich. Im Vergleich zu Technologien, bei denen Thermoplaste verwendet werden, die das Rohmaterial schmelzen, garantiert der Druck bei niedrigeren Temperaturen auch eine bessere Genauigkeit. Bei der Stereolithografie wird Licht anstelle von Wärme verwendet, so dass der Druckvorgang praktisch bei Raumtemperatur stattfindet und die Probleme der thermischen Ausdehnung und Schrumpfung, die bei anderen Technologien typisch sind, stark reduziert werden.

4. DETAILLIERTE UND GLATTE OBERFLÄCHE

Wenn es um die Herstellung glatter Oberflächen geht, ist die Stereolithografie sicherlich die beste Technologie, und die Teile erwecken oft den Eindruck, als seien sie mit traditionellen Verfahren wie maschineller Bearbeitung, Spritzguss und Extrusion hergestellt worden.

Die Oberflächenqualität der Harze ist daher sehr gut für Anwendungen, die eine glatte Oberfläche erfordern, und diese ausgezeichnete Ausgangsbasis macht auch die Nachbearbeitungen wie Schleifen, Polieren oder Lackieren der Teile einfacher und schneller.

Aber wie ist das Verhältnis zwischen der tatsächlichen Auflösung und dem Endergebnis? Im Allgemeinen wird die Auflösung eines 3D-Druckers anhand der Schichthöhe in der Z-Achse gemessen. Bei Harzdruckern kann dieser Wert zwischen 5 und 300 Mikrometern liegen, wobei im Allgemeinen ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Qualität bei etwa 100 Mikrometern gesucht wird.

FDM- und SLS-Drucker drucken in der Regel Z-Achsen-Schichten mit einer Dicke zwischen 100 und 300 Mikrometern. Es ist jedoch zu bedenken, dass ein Teil, das mit einem FDM- oder SLS-Drucker mit 100 Mikrometern hergestellt wurde, viel schlechter aussieht als ein Teil mit 100 Mikrometern, das mit einem SLA-Drucker gedruckt wurde.

Da die äußersten Umfangswände eines SLA-Drucks gerade sind und die neu erzeugte Schicht mit der vorherigen Schicht interagiert, wird der Skalierungseffekt abgeschwächt, so dass ein SLA-Druck sofort nach Verlassen des Druckers eine glattere Oberfläche aufweist. FDM-Drucke haben in der Regel gut sichtbare Schichten, während SLS-Drucke eine körnige Oberfläche haben, auf der das Pulver gesintert wurde.

5. VIELSEITIGKEIT

Es ist spannend, mit Harzen zu arbeiten, denn es gibt so viele verschiedene Eigenschaften, die demjenigen, der die Geduld und Ausdauer hat, sie zu finden, unendlich viele Lösungen bieten. Die im 3D-Druck verwendeten Harze können weich oder hart sein, mit einer Vielzahl anderer Materialien wie Glas oder Keramik gefüllt sein oder mechanische Eigenschaften wie Hochtemperaturverformung oder Schlagfestigkeit aufweisen.

Die für den Prototyp verwendeten Materialien können branchenspezifisch sein, wie im Fall des Dentalsektors, oder sie können allgemein an verschiedene Branchen angepasst werden. Diese Materialien sind so beschaffen, dass sie vielseitig einsetzbar sind und auch dann gut funktionieren, wenn sie zu neuen und innovativen Leistungen getrieben werden.

In einigen Fällen stellen die Unternehmen die Teile selbst her, aber zunehmend für individuelle Anwendungen, da viele Unternehmen erkannt haben, dass das Know-how für all diese verschiedenen Lösungen teurer sein kann als ein Harz-3D-Druckservice, der gleichbleibend gute Teile ohne zu viele Zwischenstopps liefert.

Bibliographie

Photo-curing 3D printing technique and its challenges - science direct

Advances in SLA/DLP 3D printing materials and processes - green chemistry