Fortschrittliche Harze für den 3D-Druck

Eines der Haupthindernisse bei der industriellen Umsetzung des 3D-Harzdrucks war schon immer die begrenzte Vielfalt der verfügbaren Materialien. Ursprünglich standen nur Harze auf Basis von Acrylat-Oligomeren zur Verfügung, die in der Regel ein niedriges Molekulargewicht aufwiesen und sich durch eine hohe Zerbrechlichkeit und schlechte mechanische und thermische Eigenschaften auszeichneten. Aus diesem Grund ist der 3D-Harzdruck bei der Herstellung von funktionalen Bauteilen und Prototypen immer in den Hintergrund getreten, zugunsten von thermoplastisch basierten 3D-Drucktechnologien wie FDM oder SLS.

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

Diese technischen Harze können in drei Gruppen eingeteilt werden, je nachdem, auf welchen Bereich sie ausgerichtet sind:

• Schmuck-Harze
• Dentalharze
• Technische Harze

SCHMUCKHARZE

Die Schmuckindustrie war historisch gesehen die erste, die den 3D-Harzdruck eingesetzt hat. Das liegt an der hohen Auflösung, die diese Technologie bietet und mit der kleine Modelle im Maßstab 1:1 in hoher Qualität hergestellt werden können.

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

Obwohl Standardharze für die Herstellung von Modellen weit verbreitet sind, hat das Aufkommen von hochwertigen Gießharzen ein Vorher und Nachher bedeutet. 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 dass Formen zur Herstellung der Wachsvorlagen hergestellt oder die Bäume manuell zusammengesetzt werden müssen, was die manuellen Schritte reduziert und den Prozess automatisiert.

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

Im Allgemeinen kann diese Art von Harz einen Prozentsatz an flüssigem Wachs in seiner Zusammensetzung enthalten, der dazu dient, jegliche Ascherückstände zu entfernen, wodurch eine saubere Form entsteht, die für Qualitätsguss geeignet ist. Ein höherer Wachsanteil führt zu einer saubereren Kalzinierung und zu weniger Rückständen, kann jedoch die Druckgenauigkeit beeinträchtigen. Darüber hinaus zeichnet sich diese Art von Harz in der Regel durch einen sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten aus.

Es gibt derzeit mehrere Optionen an hochwertigen Ausbrennharzen auf dem Markt, die SLA-, DLP- oder LED-LCD-kompatibel sind. Die Kombination aus geringen Rückständen, geringer Wärmeausdehnung und hoher Präzision wird durch Formlabs "Castable Wax"-Harze mit 20% Wachs oder ZWax Purple mit 10% Wachs hervorgehoben und ist mit DLP- und LED-LCD-Druckern kompatibel.

Bild 2: Mit zWax Purple bedruckter Ring. Quelle: Uniz.com

DENTALHARZE

Neben dem Schmucksektor war der Dentalsektor einer der ersten, der den 3D-Harzdruck eingeführt hat, und ist nun der am schnellsten wachsende Sektor mit der größten Auswahl an Materialien.

Dentalkunststoffe können im Allgemeinen in vier Kategorien eingeteilt werden, abhängig von ihrer Anwendung:

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

Harze für Dentalmodelle

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

Bild 3: 3D-Harzdruckmodell. Quelle: Uniz.com

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

• Harze mit einer matten Oberfläche, die die Visualisierung und das Fotografieren der Modelle erleichtern, wobei das Auftreten von Reflexionen so weit wie möglich vermieden wird. Unter dieser Art von Harz sticht das Dental Model Harz von Formlabs hervor, das eine gipsähnliche Oberfläche aufweist.
• Harze, die ein realistisches Aussehen bieten, wie z. B. Dental Pink Harz von Harzlabs.

Harze für Zahnspangen und Schienen

Diese Kunststoffe sind für die Herstellung von Retainern und Schienen bestimmt, daher müssen sie neben einer Biokompatibilität von mindestens Klasse IIa auch eine ausgezeichnete Verschleiß- und Bruchfestigkeit aufweisen.

Ein weiteres gemeinsames Merkmal ist, dass sie meist eine hohe Transparenz aufweisen, hauptsächlich aus ästhetischen Gründen.

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

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

Bild 4: Mit SLA gedruckte chirurgische Führungen. Quelle: Formlabs.com

Es ist möglich, Harze zu finden, die für die Herstellung von SLA-kompatiblen Schienen und Retainern entwickelt wurden, wie z.B. Formlabs Dental LT, sowie DLP und LED-LCD wie Dental Clear von Harzlabs.

Kunststoffe für provisorische Kronen und Brücken

Dies sind Kunststoffe, die zur Herstellung von Brücken, Kronen, Restaurationen und temporären Verblendungen verwendet werden. Sie müssen biokompatibel sein und eine ähnliche Oberfläche wie die ursprünglichen Zähne aufweisen.

Für dieses Finish werden in der Regel keramische Komponenten und Malfarben verwendet, die Farbtöne innerhalb der VITA-Skala bieten.

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

Nach dem Druck können diese Kunststoffe poliert und mit lichthärtenden Beschichtungen eingefärbt werden, um die ideale Oberfläche für jeden Patienten zu erhalten.

Hervorzuheben sind der Kunststoff Temporary CB von Formlabs, der in vier VITA-Farben (A2, A3, B1 und C2) erhältlich ist, und der Kunststoff Dental Sand von Harzlabs, der in den Farben A1 und A2 erhältlich ist.

Kalzinierbare Harze

Harze, die denen ähneln, die für Schmuck verwendet werden. In diesem Fall ist die Notwendigkeit, so wenig Abfall wie möglich zu produzieren, noch kritischer.

Sie werden hauptsächlich bei der Herstellung von Modellen für die Fertigung von Zahnimplantaten im Gussverfahren verwendet. Das Harzlabs Dental Cast Harz zeichnet sich durch einen Rückstand von weniger als 0,1 % aus.

TECHNISCHE HARZE

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

Obwohl dies auch heute noch zutrifft, haben in den letzten Jahren Fortschritte bei den Materialien und das Aufkommen neuer technischer Harze die Lücke zwischen den 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 zu bieten als Standardharze. Während Standardharze wie Harzlabs Basic Resin eine Zugfestigkeit von 20 MPa bieten, erreichen neue Konstruktionsharze wie das Ultracur3D RG50 von BASF mit bis zu 68 MPa die dreifache Zugfestigkeit. Diese Zugfestigkeit ist sogar höher als die von ABS-Filamenten und liegt nahe an Materialien wie belastungsverstärktem Nylon.

Auch technische Harze mit anderen spezifischen Eigenschaften, wie z. B. hohe Verschleißfestigkeit oder schlagzähe Harze, sind erschienen.

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

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

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

Harze mit verbesserten thermischen Eigenschaften

Die thermische Beständigkeit war schon immer eine der Schwachstellen 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 ist das Angebot an Harzen für Hochtemperaturanwendungen sehr begrenzt, wobei das High-Temp-Harz von Formlabs das wichtigste ist. Dies ist ein Harz, das nach dem Aushärten Temperaturen von bis zu 142 ºC standhält (unter einer Belastung von 0,45 MPa). Der Hauptvorteil dieses Harzes ist, dass es möglich ist, seine Wärmebeständigkeit auf 238 ºC zu erhöhen, indem die Teile einer Wärmebehandlung unterzogen werden, die aus einer einstündigen Erwärmung auf 60 ºC und einer anschließenden eineinhalbstündigen Erwärmung auf 160 ºC besteht.

Flexible und elastische Harze

Eines der größten Handicaps von 3D-Druckharzen war schon immer ihre hohe Sprödigkeit, eine Eigenschaft, die im Maschinenbau nicht erwünscht ist. Deshalb war das Aufkommen der flexiblen und elastischen Harze in den letzten Jahren eine Revolution.

Bild 9: Vergleich von Flexible 80A Harz und Elastic 50A Harz Quelle: FormLabs.

Derzeit gibt es mehrere Optionen sowohl für SLA als auch für LED-LCD. Im SLA-Bereich stechen die flexiblen 80A- und elastischen 50A-Harze hervor. Flexible 80A ist ein Harz mit einer hohen Flexibilität, das eine Bruchverformung von 120 % und eine Härte von 80 Shore A aufweist, während Elastic 50A ein Harz mit einer guten Elastizität, einer Bruchverformung von 160 % und einer Härte von 50 Shore A ist.

Einer der wichtigsten Durchbrüche bei dieser Art von Material ist jedoch die neue Produktlinie der flexiblen und elastischen Harze der BASF. Dabei handelt es sich um Harze auf Basis von Urethan-Acrylat-Oligomeren, die unter den derzeit verfügbaren Harzen die größte Flexibilität und Elastizität bieten. Das BASF Ultracur3D FL300 Harz zum Beispiel, mit einer Härte von nur 37 Shore A, bietet eine Bruchverformung von bis zu 306 %.

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

In den letzten Jahren ist das Angebot an Materialien für den 3D-Harzdruck exponentiell gewachsen, einschließlich neuer Materialien mit Eigenschaften, die denen von Thermoplasten für FDM entsprechen und diese sogar in einigen Fällen übertreffen. Dies und die Tatsache, dass der 3D-Harzdruck eine bessere Isotropie als FDM bietet, macht ihn zu einer praktikablen Option für viele industrielle und technische Anwendungen.