Fortschrittliche Harze für den 3D-Druck

Eine der Hauptbarrieren, die 3D-Harzdruck schon immer hatte, wenn es auf industrieller Ebene eingesetzt wurde, war die begrenzte Vielfalt der verfügbaren Materialien. Ursprünglich waren die einzigen verfügbaren Materialien Acrylat-Oligomere, im Allgemeinen mit niedrigem Molekulargewicht, die sich durch hohe Brüchigkeit und schlechte mechanische und thermische Eigenschaften auszeichneten. Aus diesem Grund wurde der 3D-Harzdruck immer zugunsten von thermoplastischen 3D-Drucktechnologien wie FDM oder SLS in der Produktion funktionaler Bauteile und Prototypen in den Hintergrund gedrängt.

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 den Fokus vieler Branchen gerückt. In Verbindung mit dem Aufkommen neuer harzbasierter 3D-Drucktechnologien wie LED-LCD, die es geschafft haben, Kosten zu senken und die Druckgeschwindigkeit signifikant zu erhöhen, ist dies eine tragfähige Alternative, die in einigen Anwendungsbereichen sogar FDM und SLS übertreffen kann.

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

• Harze für Schmuck
• Zahnharze
• Ingenieurharze

HARZE FÜR SCHMUCK

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

Bild 1: Schmuckmodell gedruckt in Harz. Quelle: uniz.com

Obwohl Standardharze für die Herstellung von Modellen weit verbreitet sind, hat das Auftauchen hochwertiger gießbarer Harze einen Wendepunkt markiert. Diese Harze zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei der Kalzinierung kaum Rückstände hinterlassen, was sie zu einem perfekten Ersatz für die ursprünglich für das Gießen verwendeten Wachsmuster macht.

Dank dessen ist es möglich, den Gießbaum direkt zu drucken, ohne die Notwendigkeit, Formen herzustellen, um die Wachsmaster herzustellen oder die Bäume manuell zusammenzubauen, was die manuellen Phasen reduziert und den Prozess automatisiert.

Video 1: Traditionelle Vorbereitung eines Wachstumbaums. Quelle: greekerajewelry.com

Allgemein kann diese Art von Harz einen Anteil flüssigen Wachses in seiner Zusammensetzung enthalten, das dazu bestimmt ist, jegliche Ascherückstände zu beseitigen, und eine saubere Form, die sich für qualitatives Gießen eignet, zu produzieren. Ein höherer Wachsanteil führt zu einer saubereren Kalzinierung und weniger Rückständen, kann jedoch die Druckgenauigkeit beeinträchtigen. Außerdem zeichnet sich diese Art von Harz in der Regel durch einen sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten aus.

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

Bild 2: Ring gedruckt mit zWax Purple. Quelle: Uniz.com

ZAHNHARZE

Zusammen mit Schmuck war der zahnärztliche Bereich einer der ersten, der den 3D-Harzdruck angenommen hat, und ist jetzt der am schnellsten wachsende Sektor mit der größten Auswahl an Materialien.

Zahnharze können im Allgemeinen in vier Kategorien je nach Anwendung gruppiert werden:

• Harze für zahnärztliche Modelle.
• Harze für Retainer und Schienen.
• Harze für temporäre Kronen und Brücken
• Verbrennbare Harze

Harze für zahnärztliche Modelle

Dies sind Harze, die nicht dazu gedacht sind, mit dem Patienten in Kontakt zu kommen. Sie werden im Allgemeinen für die Herstellung von Patientenmodellen verwendet, an denen der zahnärztliche oder medizinische Fachmann arbeiten kann, um Eingriffe zu planen oder Elemente wie Kronen oder Brücken zu testen. Sie sind in ihrer Zusammensetzung ähnlich wie Standardharze und sind hauptsächlich darauf ausgelegt, eine hohe Präzision und Auflösung, sowie niedrige Herstellungskosten zu haben.

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

Es ist auch wichtig bei diesen Harzen, dass sie bestimmte ästhetische Qualitäten haben, die zwei Gruppen unterscheiden:

• Harze mit mattem Finish, die die Visualisierung und Fotografie der Modelle erleichtern und das Auftreten von Reflexionen weitgehend vermeiden. Unter dieser Art von Harz sticht das Dental Model Harz von Formlabs hervor, mit einem Finish ähnlich wie Gips.
• Harze, die einen realistischen Eindruck vermitteln, wie das Dental Pink Harz von Harzlabs.

Harze für Retainer und Schienen

Diese Harze sind für die Herstellung von Retainern und Schienen gedacht, daher müssen sie neben einer Biokompatibilität von mindestens Klasse IIa eine exzellente Beständigkeit gegen Abnutzung und Bruch haben.

Eine weitere gemeinsame Eigenschaft ist, dass sie meistens hochtransparent sind, 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 Kompatibilität und ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften weit verbreitet bei der Herstellung von chirurgischen Führungen eingesetzt. Einige Hersteller wie Formlabs bieten spezielles Harz für diese Anwendung an, wie zum Beispiel das Harz Dental Surgical Guide, das mehr Flexibilität bietet.

Bild 4: Chirurgische Führungen gedruckt mit SLA. Quelle: Formlabs.com

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

Harze für temporäre Kronen und Brücken

Diese Harze werden verwendet, um Brücken, Kronen, Restaurationen und temporäre Verblendschalen herzustellen. Sie müssen biokompatibel sein und einen ähnlichen Abschluss wie die Originalzähne bieten.

Um diesen Abschluss im Allgemeinen zu erreichen, werden keramische Komponenten und Färbemittel verwendet, die Schattierungen innerhalb der VITA-Skala bieten.

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

Nach dem Druck können diese Harze poliert und mit lichthärtenden Verblendschalen geschattet werden, um den idealen Abschluss für jeden Patienten zu erreichen.

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

Kalzinierbare Harze

Harze ähnlich denen, die in der Schmuckherstellung 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 Herstellung von Zahnimplantaten durch Gießen verwendet. Das Harzlabs Dental Cast-Harz zeichnet sich durch einen Rückstand von weniger als 0,1 % aus.

ENGINEERING-HARZE

Der industrielle und technische Sektor war immer am wenigsten bereit, den 3D-Harzdruck zu implementieren. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Harze auf mechanischer und thermischer Ebene nicht mit den für FDM verfügbaren technischen Materialien oder den für SLS verwendeten Polyamiden konkurrieren können.

Obwohl dies auch heute noch zutrifft, schließen in den letzten Jahren Fortschritte bei Materialien und das Auftreten neuer technischer Harze die Lücke zwischen verschiedenen 3D-Drucktechnologien. 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

Diese Harze wurden entwickelt, um eine geringere Brüchigkeit und ein höheres Modul als Standardharze zu bieten. Während Standardharze wie das Harzlabs Basic Resin eine Zugfestigkeit von 20 MPa bieten, bieten neue technische Harze wie BASFs Ultracur3D RG50 eine Zugfestigkeit von bis zu 68 MPa, dreimal höher. Diese Zugfestigkeit ist sogar höher als die von ABS-Filamenten bereitgestellte und nahe an Materialien wie lastverstärktem Nylon.

Auch technische Harze mit anderen spezifischen Eigenschaften wie hoher Verschleißfestigkeit oder schlagfesten Harzen sind erschienen.

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

Unter den Harzen mit hoher Schlagfestigkeit sticht die BASF Ultracur3D High Impact-Linie hervor. Diese Harze bieten eine Zugfestigkeit von 50 MPa bei einer Bruchdehnung von 56%, einem Biegemodul von 1700 MPa und einer Schlagfestigkeit von 1,39 J/m2. Dies macht sie ideal für die Herstellung von mechanischen Komponenten und funktionalen Prototypen.

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

Harze mit verbesserten thermischen Eigenschaften

Die thermische Beständigkeit war 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 gibt es nur sehr wenige Harze für Hochtemperaturanwendungen, wobei das High Temp-Harz von Formlabs das wichtigste ist. Dies ist ein Harz, das nach dem Aushärten Temperaturen von bis zu 142 ºC standhalten kann (unter einer Last von 0,45 MPa). Der Hauptvorteil dieses Harzes besteht darin, dass es möglich ist, seine thermische Beständigkeit auf bis zu 238 ºC zu erhöhen, indem man den Teilen eine Wärmebehandlung zukommen lässt, die darin besteht, sie eine Stunde lang auf 60 ºC zu erhitzen und dann anderthalb Stunden lang auf 160 ºC.

Flexible und elastische Harze

Einer der HauptNachteile von 3D-Druckharzen war immer ihre hohe Brüchigkeit, eine Eigenschaft, die in der Technik nicht erwünscht ist. Deshalb war das Auftauchen von flexiblen und elastischen Harzen in den letzten Jahren eine Revolution.

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

Heutzutage gibt es zahlreiche Optionen sowohl für SLA als auch für LED-LCD. Bei SLA fallen die flexiblen 80A und elastischen 50A Harze auf. Flexible 80A ist ein hochflexibles Harz mit 120% Dehnung bei Bruch und 80 Shore A Härte, während Elastic 50A ein Harz mit guter Elastizität, 160% Dehnung bei Bruch und 50 Shore A Härte ist.

Allerdings ist einer der wichtigsten Fortschritte in dieser Art von Materialien die neue Linie von flexiblen und elastischen Harzen von BASF. Dabei handelt es sich um Harze auf Basis von Harnstoffacrylat-Oligomeren, die die größte Flexibilität und Elastizität unter den heute verfügbaren Harzen bieten. BASF Ultracur3D FL300 bietet beispielsweise bei einer Härte von nur 37 Shore A eine Bruchdehnung von bis zu 306%.

Bild 10: BASF Ultracur3D FL60 Harz. 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 in einigen Fällen sogar übertreffen. Dies, zusammen mit der Tatsache, dass der 3D-Harzdruck eine überlegene Isotropie im Vergleich zu der durch FDM erzielten bietet, macht ihn zu einer lebensfähigen Option in vielen industriellen und technischen Anwendungen.