3D-printen met harsen:een introductie

Harsen vormen een groot onderdeel van materiaalonderzoek binnen 3D-printen en zijn ideaal voor het snel produceren van onderdelen met een hoge mate van nauwkeurigheid. 3D-printharsen zijn vloeibare fotopolymeren , voornamelijk gebruikt met technologieën zoals Stereolithography (SLA) en Material Jetting.

Om u te helpen beter door de wereld van 3D-printharsen te navigeren, behandelt de tutorial van vandaag de belangrijkste soorten harsen die op de markt verkrijgbaar zijn, de belangrijkste gebruikte technologieën en de belangrijkste toepassingen.

Wat zijn fotopolymeren?

Fotopolymeren zijn lichtgevoelige harsen die hun fysische of chemische eigenschappen veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan een lichtbron, meestal UV-licht. In tegenstelling tot de thermoplasten die worden gebruikt in Fused Deposition Modeling (FDM), zijn fotopolymeren thermosetsen , wat betekent dat hoewel het materiaal sterker wordt als het wordt verwarmd, het eenmaal uitgehard door een UV-licht, niet opnieuw kan worden gesmolten of opnieuw verwarmd.

Fotopolymeren zijn doorgaans brozer dan FDM- of SLS-thermoplasten, hoewel ze in staat zijn objecten te creëren met een hogere resolutie en een gladdere oppervlakteafwerking. Met een reeks beschikbare kleuren en eigenschappen zijn 3D-geprinte harsen perfect geschikt voor een reeks toepassingen, waaronder visuele en functionele prototypes, medische hulpmiddelen en gietpatronen voor sieraden.

3D-printen met harsen:SLA en materiaalstralen

Stereolithografie (SLA) en Material Jetting zijn de twee meest gebruikte technologieën voor 3D-printharsen. Hoewel beide technologieën UV-licht gebruiken om vloeibare fotopolymeren uit te harden en ondersteunende structuren nodig hebben, eindigen de overeenkomsten hier.

Het SLA-proces

Tijdens het SLA-productieproces wordt een vat met een vloeibare fotohardbare hars selectief uitgehard door een UV-laser, laag voor laag, waardoor de hars stolt. Nadat het printen is voltooid, moet het harsgedeelte worden uitgehard om de mechanische eigenschappen te verbeteren.

Het materiaalstraalproces

Material Jetting (of PolyJet) is daarentegen een inkjet-afdrukproces en maakt geen gebruik van lasers. Material Jetting-printers zijn uitgerust met printkoppen die een vloeibaar, fotoreactief materiaal laag na laag op een bouwplatform afzetten. Nadat een laag materiaal is afgezet, wordt deze uitgehard door een UV-licht. In tegenstelling tot SLA hebben de geprinte onderdelen geen of zeer weinig naharding nodig.

De belangrijkste voordelen van het gebruik van deze technologieën met harsen zijn de hoge snelheid en hoge nauwkeurigheid die beschikbaar is. Daarnaast is het met Material Jetting mogelijk om full colour en multi-materiaal onderdelen te produceren, waarbij een aantal unieke composietmaterialen met hybride eigenschappen mogelijk zijn. Dit is mogelijk dankzij de uniekheid van het materiaalstraalproces:materiaalstraalsystemen bevatten doorgaans meerdere sproeiers die verschillende materialen en/of verschillende kleuren in een enkel drukproces kunnen afzetten.

SLA-harsen

SLA kan worden gebruikt met een breed scala aan harsen, hoewel de opties variëren afhankelijk van het type SLA 3D-printer waarvoor u kiest. Over het algemeen kunnen SLA-harsen worden ontwikkeld om verschillende eigenschappen van traditionele materialen te simuleren. Zo zijn bijvoorbeeld het ontwikkelen van harsen vergelijkbaar met was voor het gieten van was of een composietmateriaal met de materiaaleigenschappen van keramiek beide mogelijke opties. Andere harsen kunnen de eigenschappen van traditionele thermoplasten zoals ABS en PP nabootsen.

Standaard harsen

Standaardharsen bieden zeer nauwkeurige eigenschappen en een gladde oppervlakteafwerking. Ze zijn ook verkrijgbaar in een breed assortiment aan kleurkeuzes (van helder tot een verscheidenheid aan dekkende kleuren).

Een nadeel van dit materiaal is echter de brosheid, waardoor standaardharsen meer geschikt zijn voor prototyping.

Duurzame hars

Duurzame of taaie harsen simuleren de eigenschappen van ABS- en PP-thermoplasten, waardoor ze sterker, taaier en duurzamer zijn dan standaardharsen. ABS-achtige en PP-achtige harsen zijn geschikt voor functionele prototypes, consumentenproducten en in het algemeen wrijvingsarme en slijtvaste mechanische onderdelen.

PP-achtige hars heeft ook semi-flexibele eigenschappen en is ideaal voor snap-fit ​​assemblages. Bij het kiezen van het juiste materiaal voor uw toepassing moet echter rekening worden gehouden met de lage thermische weerstand van dit type hars.

Rubberachtige hars

Dit materiaal kan flexibele onderdelen creëren die zacht rubberachtig aanvoelen. Rubberachtige hars kan worden samengeperst en gebogen, waardoor het een goede keuze is voor uitknijpbare modellen, wearables-prototyping, grepen en handvatten, en ook voor mode- en sieradentoepassingen.

Er moet echter worden opgemerkt dat de eigenschappen van een rubberachtige hars niet te vergelijken zijn met echt rubber. Het materiaal heeft ook ondersteunende structuren nodig bij 3D-printen.

Hars voor hoge temperaturen

Dit type hars vertoont een hoge hittebestendigheid (boven 200°C) en stijfheid. Dankzij de thermische eigenschappen kan deze hars voor hoge temperaturen worden gebruikt om gereedschappen te maken voor spuitgieten en thermovormen in kleine oplagen, evenals voor verschillende mallen en armaturen.

Formlabs loopt voorop als een van de weinige fabrikanten om harsen voor hoge temperaturen te produceren, en het materiaal kan worden gebruikt voor het produceren van giet- en thermovormgereedschappen, naast spuitgietgereedschappen.

Gietbare hars

Giethars is een kosteneffectieve keuze voor de productie van ingewikkelde patronen voor het gieten van investeringen (of sieraden). Tijdens het investeringsgietproces wordt een keramische mal gemaakt rond een waspatroon. Wanneer de mal is gestold, wordt de was weggebrand en wordt het gesmolten metaal erin gegoten om een ​​onderdeel te maken.

Tandheelkundige en medische hars s

Als u onderdelen nodig hebt met biocompatibele eigenschappen voor tandheelkundige en medische toepassingen, dan zijn dit soort harsen de go-to-materialen. Tandheelkundige en medische harsen zijn met succes gebruikt om op maat gemaakte hoortoestellen en chirurgische handleidingen in 3D te printen.

Onderdelen die met deze harsen zijn bedrukt, kunnen met stoom worden gesteriliseerd voor direct gebruik in de operatiekamer. Er is ook een optie voor een biocompatibele tandhars voor de lange termijn, die kan worden gebruikt in orthodontische apparaten die zijn ontworpen voor een langer contact met het menselijk lichaam (tot een jaar).

Keramisch gevulde hars

Dit met silica gevulde fotopolymeer biedt een hoge treksterkte en stijfheid, waardoor onderdelen ontstaan ​​met zeer gladde oppervlakken en fijne eigenschappen. De keramische hars is een relatief nieuw SLA-materiaal en vereist doorgaans een hoger niveau van vaardigheid dan andere harsen.

Bovendien kunnen 3D-geprinte onderdelen met keramische hars in een oven worden gebakken, waarbij het polymeer wegbrandt en resulteert in een echt keramisch onderdeel. Het materiaal is zeer geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, variërend van gereedschappen, mallen en armaturen tot elektrische behuizingen en toepassingen in kunst en design.

Materiaalstralen harsen

Material Jetting gebruikt fotopolymeerharsen die vergelijkbaar zijn met die gebruikt in SLA, maar in een minder viskeuze, inktachtige vorm. Sommige van deze harsen bootsen ook de eigenschappen na van FDM 3D-printmaterialen zoals PP en ABS. Net als SLA-harsen, zijn Material Jetting-fotopolymeren verkrijgbaar in verschillende kleuropties en in een aantal speciale materialen (gietbaar, hoge temperatuur, medische kwaliteit). Over het algemeen zijn Material Jetting-harsen bros, hebben ze een lage warmteafbuigingstemperatuur en zijn hun kosten per kilogram veel hoger dan SLA-harsen (ongeveer $ 300 - $ 1000).

Zoals de meeste harsen die worden gebruikt bij Material Jetting hebben vrijwel dezelfde kenmerken als SLA-harsen, zullen we ons concentreren op de materialen die met de technologie worden gebruikt. Deze omvatten composiet materialen voor 3D-printen met meerdere materialen. De composietmaterialen worden gemaakt door twee of meer materialen met verschillende eigenschappen (zoals stijf en elastomeer of doorschijnende en ondoorzichtige combinaties) in één onderdeel te combineren. Een toepassing hiervan zou zijn op het gebied van prototyping:bedrijven kunnen bijvoorbeeld full colour prototypen in 3D printen met een eindproduct-look and feel.

Bovendien kunnen composietmaterialen van technische kwaliteit een goede keuze zijn voor matrijzen voor korte runs van spuitgieten, evenals voor verschillende soorten mallen en armaturen.

Eindeloze mogelijkheden

In deze zelfstudie hebben we voornamelijk de met UV-licht uithardbare harsen besproken die worden gebruikt met algemeen gevestigde 3D-printtechnologieën. De markt voor 3D-printen biedt echter ook een nieuwere generatie fotopolymerisatietechnieken:bijvoorbeeld Carbon's CLIP-technologie (Continuous Liquid Interface Production), die harsen van technische kwaliteit ondersteunt en naar verluidt een hogere afdruksnelheid heeft dan SLA.

Carbon heeft het toepassingsgebied voor harsen uitgebreid, aangezien het nu acht verschillende soorten harsen. Een daarvan omvat het bedrijf Cyanite Ester (CE), een uniek CLIP-materiaal met een warmteafbuigingstemperatuur van 231°C en een sterkte die vergelijkbaar is met met glas gevuld nylon.

Dankzij voortdurende vooruitgang op het gebied van fotopolymeerharsen, de toekomst van deze materialen is zeker rooskleurig. Een van de pioniers op dit gebied is Photocentric, een in het Verenigd Koninkrijk gevestigd bedrijf dat gespecialiseerd is in fotopolymeermaterialen. Het bedrijf ontwikkelt polymeren voor 3D-printen die kunnen worden uitgehard met behulp van een LCD-scherm in plaats van UV-licht, en pioniert op het gebied van "daglichtharsen".

Met veel innovatie op het gebied van fotopolymeermaterialen kunnen we alleen kijk uit naar meer toepassingen en toepassingen in de toekomst.