3D-printen revolutioneren met geavanceerde harstechnologieën

Een van de hoofdbarrières die 3D harsprinten altijd heeft gehad bij implementatie op industriëniveau is de beperkte variëteit aan beschikbare materialen. Oorspronkelijk waren de enige beschikbare materialen harsen gebaseerd op acrylaat-oligomeren, doorgaans van laag molecuulgewicht, die opvielen door hun hoge kwetsbaarheid en slechte mechanische en thermische eigenschappen. Hierdoor is 3D harsprinten altijd op de achtergrond geduwd bij de productie van functionele componenten en prototypes, ten gunste van thermoplast-gebaseerde 3D-printtechnologieën zoals FDM of SLS.

Echter, in de afgelopen jaren is dit dramatisch veranderd. Het opduiken van nieuwe technische harsen met geavanceerde eigenschappen en specifiek ontwikkeld voor bepaalde professionele toepassingen heeft deze technologie tot de aandacht van veel sectoren gebracht. Gecombineerd met het opduiken van nieuwe op hars gebaseerde 3D-printtechnologieën zoals LED-LCD, die erin zijn geslaagd om kosten te verlagen en de printsnelheid aanzienlijk te verhogen, is dit een levensvatbare alternatief, dat in sommige toepassingsgebieden zelfs FDM en SLS kan overtreffen.

Deze technische harsen kunnen ingedeeld worden in drie groepen, afhankelijk van het vakgebied waarop ze gericht zijn:

• Harsen voor juwelen
• Tandheelkundige harsen
• Engineering harsen

HARSEN VOOR JUWELEN

De juwelenindustrie is historisch gezien de eerste die 3D harsprinten heeft geïmplementeerd. Dit is te danken aan de hoge resolutie die deze technologie biedt, in staat om kleine 1:1 schaalmodellen met hoge kwaliteitsafwerkingen te produceren.

Afbeelding 1: Juwelenmodel geprint in hars. Bron: uniz.com

Hoewel standaardharsen wijd gebruikt worden voor de productie van modellen, wat een voor en na heeft betekend is het opduiken van hoogwaardige gietbare harsen. Deze harsen vallen op door nauwelijks residuen na calcinatie te achterlaten, wat ze een perfecte vervanging maakt voor de wasmodellen die oorspronkelijk in gieten gebruikt werden.

Dankzij dit is het mogelijk om de gietboom direct te printen, zonder de noodzaak om vormen te maken om de wasmeesters te produceren of de bomen handmatig te monteren, wat de handmatige fasen reduceert en het proces automatiseert.

Video 1: Traditionele voorbereiding van een wasboom. Bron: greekerajewelry.com

In het algemeen kan dit type hars een percentage vloeibaar was in de samenstelling bevatten bedoeld om eventuele asresten te elimineren, wat een schone vorm produceert, geschikt voor kwalitatief gieten. Een hoger percentage was zal een schonere calcinatie produceren, en met minder residu, hoewel het de printprecisie kan beïnvloeden. Bovendien wordt dit type hars doorgaans gekenmerkt door een zeer lage uitdingscoëfficiënt.

Op dit moment zijn er veel opties op de markt voor hoogwaardige gietbare harsen compatibel met zowel SLA's als DLP's of LED-LCD's. Formlabs "Castable Wax" harsen met 20% was of ZWax Purple met 10% was en compatibel met DLP en LED-LCD printers vallen op door hun combinatie van laag residu, lage thermische uitding en hoge precisie.

Afbeelding 2: Ring geprint met zWax Purple. Bron: Uniz.com

TANDHEELKUNDIGE HARSEN

Naast juwelen was de tandheelkundige sector een van de eerste die 3D harsprinten aannam, en is nu de snelst groeiende sector met het grootste aanbod aan materialen.

Tandheelkundige harsen kunnen doorgaans gegroepeerd worden in vier categorieën volgens hun toepassing:

• Harsen voor tandheelkundige modellen.
• Harsen voor retainers en splinten.
• Harsen voor tijdelijke kronen en bruggen
• Gietbare harsen

Harsen voor tandheelkundige modellen

Dit zijn harsen die niet ontworpen zijn om in contact met de patiënt te komen. Ze worden doorgaans gebruikt voor de productie van patiëntmodellen waarop de tandheelkundige of medische professional kan werken om interventies te plannen of elementen zoals kronen of bruggen te testen. Ze zijn vergelijkbaar in samenstelling met standaardharsen en zijn hoofdzakelijk bedoeld om een hoge precisie en resolutie, alsmede een lage productiekost.

Afbeelding 3: 3D-geprint model met hars. Bron: Uniz.com

Het is ook belangrijk in deze harsen dat ze bepaalde esthetische kwaliteiten hebben, wat twee groepen onderscheidt:

• Harsen met een matte afwerking, die de visualisatie en fotografie van de modellen vergemakkelijken, reflexies zoveel mogelijk vermijdend. Onder dit type hars valt de Dental Model hars van Formlabs, met een afwerking vergelijkbaar met gips.
• Harsen die een realistisch uiterlijk bieden, zoals Dental Pink hars van Harzlabs.

Harsen voor retainers en splinten

Deze harsen zijn bedoeld voor de fabricage van retainers en splinten, daarom, naast het hebben van een biocompatibiliteit van ten minste klasse IIa, moeten ze een uitstekende slijtvastheid en breukweerstand hebben.

Een andere veelvoorkomende kenmerk is dat ze doorgaans hoog transparant zijn, voornamelijk om esthetische redenen.

Video 2: Fabricage van splinten met 3D harsprinten. Bron: Formlabs.com

Naast de productie van retainers en splinten, worden ze wijd gebruikt in de fabricage van chirurgische gidsen vanwege hun goede compatibiliteit en uitstekende mechanische eigenschappen. Sommige fabrikanten zoals Formlabs bevatten een specifieke hars voor deze toepassing zoals Dental Surgical Guide hars, die grotere flexibiliteit biedt.

Afbeelding 4: Chirurgische gidsen geprint met SLA. Bron: Formlabs.com

Het is mogelijk om harsen te vinden ontwikkeld voor de productie van splinten en retainers compatibel met zowel SLA zoals Formlabs Dental LT, en DLP en LED-LCD zoals Dental Clear van Harzlabs.

Harsen voor tijdelijke kronen en bruggen

Dit zijn harsen gebruikt om bruggen, kronen, restauraties en tijdelijke facetten te produceren. Ze moeten biocompatibel zijn en een afwerking bieden vergelijkbaar met die van de oorspronkelijke tanden.

Om deze afwerking te bieden worden doorgaans keramische componenten en kleurstoffen gebruikt die tinten binnen de VITA-schaal bieden.

Afbeelding 5: VITA kleurkaart. Bron: vita-zahnfabrik

Eenmaal geprint, kunnen deze harsen gepolijst en getint worden met licht-uitgeende veneers om de ideale afwerking voor elke patiënt te verkrijgen.

De Temporary CB hars van Formlabs is beschikbaar in vier VITA-tinten (A2, A3, B1 en C2) en de Dental Sand hars van Harzlabs is beschikbaar in A1 en A2 tinten.

Gietbare Harsen

Harsen vergelijkbaar met die gebruikt in juwelen. In dit geval is de noodzaak om zo min mogelijk afval te produceren nog kritischer.

Ze worden voornamelijk gebruikt in de productie van modellen voor de fabricage van tandheelkundige implantaten door gieten. De Harzlabs Dental Cast hars valt op, met een residu van minder dan 0,1%.

ENGINEERING HARSEN

De industriële en engineering sector is altijd de meest terughoudende geweest om 3D harsprinten te implementeren. Dit is voornamelijk omdat, op mechanisch en thermisch niveau, harsen niet kunnen concurreren met de engineering materialen beschikbaar voor FDM of de polyamiden gebruikt in SLS.

Hoewel dit vandaag nog steeds waar is, hebben in de afgelopen jaren de vooruitgang in materialen en het opduiken van nieuwe engineering harsen de kloof tussen de verschillende 3D-printtechnologieën dichtgetimmerd. Er zijn drie groepen engineering harsen:

• Harsen met verbeterde mechanische eigenschappen
• Harsen met verbeterde thermische eigenschappen
• Flexibele en elastische harsen

Harsen met verbeterde mechanische eigenschappen

Dit zijn harsen ontwikkeld met het doel om lagere kwetsbaarheid en hogere modulus dan standaardharsen te bieden. Terwijl standaardharsen zoals Harzlabs Basic Resin een treksterkte van 20 MPa bieden, bieden nieuwe engineering harsen zoals BASF's Ultracur3D RG50 een treksterkte van tot 68 MPa, drie keer hoger. Deze treksterkte is zelfs hoger dan die geboden door ABS-filamenten en dichtbij materialen zoals belaste versterkte nylon.

Engineering harsen met andere specifieke eigenschappen, zoals hoge slijtvastheid of impactbestendige harsen, zijn ook opgedoken.

Afbeelding 6: Impactweerstandsvergelijking van diverse Formlabs harsen. Bron: Formlabs.com

Onder de harsen met hoge impactweerstand valt BASF's Ultracur3D High Impact lijn op. Deze harsen bieden een treksterkte van 50 MPa met een breukdeformatie van 56%, een buigmodulus van 1700 MPa en een impactweerstand van 1,39 J/m2. Dit maakt ze ideaal voor de productie van mechanische componenten en functionele prototypes.

Afbeelding 7: BASF Ultracur3D RG35 hars. Bron: forward-am.com

Harsen met verbeterde thermische eigenschappen

Thermische weerstand is altijd een van de zwakke punten van 3D-printharsen geweest. In het algemeen hebben alle harsen verzachtingtemperaturen tussen 50°C en 80°C.

Afbeelding 8: Vergelijking van de hitteafbuigingstemperatuur van diverse Formlabs harsen. Bron: Formlabs.com

Momenteel zijn er zeer weinig harsen beschikbaar voor hoge temperatuuraanwendingen, met Formlabs' High Temp hars als de meest belangrijke. Dit is een hars in staat om temperaturen van tot 142 °C te weerstaan eenmaal uitgehard (onder een belasting van 0,45 MPa). Het belangrijkste voordeel van deze hars is dat het mogelijk is de thermische weerstand te verhogen tot 238 °C door een warmtebehandeling aan de onderdelen toe te passen bestaande uit het verwarmen tot 60 °C gedurende één uur en daarna tot 160 °C gedurende anderhalf uur.

Flexibele en elastische harsen

Een van de belangrijkste tekortkomingen van 3D-printharsen is altijd hun hoge kwetsbaarheid geweest, een eigenschap niet gewenst in engineering. Dit is de reden waarom het opduiken in de afgelopen jaren van flexibele en elastische harsen een revolutie is geweest.

Afbeelding 9: Vergelijking van Flexibele 80A hars en Elastische 50A hars Bron: FormLabs.

Vandaag de dag zijn er meerdere opties voor zowel SLA als LED-LCD. In SLA vallen de flexibele 80A en elastische 50A harsen op. Flexibele 80A is een hoog flexibele hars met 120% deformatie bij breuk en 80 Shore A hardheid, terwijl Elastische 50A een hars is met goede elasticiteit, 160% deformatie bij breuk en 50 Shore A hardheid.

Echter, een van de belangrijkste sprongen vooruit in dit type materiaal is BASF's nieuwe lijn van flexibele en elastische harsen. Dit zijn harsen gebaseerd op urethane acrylaat oligomeren, en bieden de grootste flexibiliteit en elasticiteit onder de vandaag beschikbare harsen. BASF Ultracur3D FL300, bijvoorbeeld, met een hardheid van slechts 37 Shore A, biedt breukdeformatie van tot 306%.

Afbeelding 10: BASF Ultracur3D FL60 hars. Bron: forward-am.com

In de afgelopen jaren is de gamma aan materialen voor 3D harsprinten exponentieel gegroeid, inclusief nieuwe materialen met eigenschappen die overeenkomen en in sommige gevallen zelfs overschrijden die geboden door thermoplasten voor FDM. Dit, gecombineerd met het feit dat 3D harsprinten superieure isotropie biedt ten opzichte van die verkregen door FDM, maakt het een levensvatbare optie in veel industriële en engineering toepassingen.