3D-Druck auf Harzbasis: Anwendungsfälle und Hauptvorteile

Viele Menschen in der Fertigungsindustrie verbinden den Begriff "Rapid Prototyping" mit der Erfindung der Stereolithografie (SLA). Dieses 1986 erstmals auf den Markt gebrachte Druckverfahren auf Harzbasis wurde bald zum Favoriten von Produktentwicklern, die schnelle und genaue 3D-Modelle ihrer Entwürfe suchten.

Schnell folgten konkurrierende Technologien mit einer Vielzahl von Materialien, darunter auch Nicht-Harz-Materialien, und heute steht den Designern eine Reihe von Rapid-Prototyping-Optionen zur Verfügung. Zu den beliebten harzfreien 3D-Drucktechnologien gehören FDM (Fused Deposition Modeling), SLS (Selective Laser Sintering) und MJF (Multi Jet Fusion) sowie einige neuere SLA-Varianten. Da stellt sich die Frage: Welches ist das beste Verfahren für meine Anwendung?

SLA offers several finishing options to improve part texture, as well as coatings such as nickel SLArmor, painting, clear coat, and custom decals.

Was ist 3D-Druck auf Harzbasis?

Harz-3D-Druck ist ein Sammelbegriff für additive Fertigungstechnologien, bei denen Teile aus einem flüssigen Photopolymerharz hergestellt werden, das bei Einwirkung einer Lichtquelle aushärtet.

Im Gegensatz dazu schmelzen filamentbasierte Drucker wie FDM eine Spule mit Kunststofffilament, um Teile Schicht für Schicht herzustellen, während pulverbasierte Drucker (SLS und MJF) Pulverpartikel mit Hilfe eines Lasers, Schmelzmittels oder einer anderen Wärmequelle verschmelzen.

Wir werden uns in Kürze mit den Details der verschiedenen harzbasierten Verfahren befassen, aber alle haben einige gemeinsame Eigenschaften. Dazu gehören vor allem die höhere Auflösung und die feineren Teiledetails im Vergleich zu Filament- oder Pulverdruckern, mit weniger "Treppenstufen", die beim 3D-Druck üblich sind. Dies ist auf die präzise Steuerung der Lichtquelle und die Möglichkeit zurückzuführen, dünnere Schichten zu erzeugen, die glattere Oberflächen hinterlassen als die Alternativen. Außerdem müssen diese Teile weniger nachbearbeitet werden als die mit anderen Methoden hergestellten, was die Kosten für die Teile senkt und die Genauigkeit verbessert.

Aus diesem Grund ist der harzbasierte 3D-Druck häufig die bevorzugte Methode für Teile mit komplizierten Designs sowie für kleine oder Miniaturteile und solche mit feinen Merkmalen. Zu den Anwendungsfällen für Stereolithografie gehören Prototypen und Kleinserien:

• Patientenspezifische chirurgische Leitlinien
• Zahnschienen
• Schmuckformen und -muster
• Knöpfe und Abdeckungen für die Automobilindustrie
• Elektronische Gehäuse

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Wie funktionieren die verschiedenen Harz-3D-Drucker?

Despite its many uses and applications, it’s important to understand the mechanics behind the different types of resin-based 3D printing. Here’s a brief outline of some of the available technologies, followed by some considerations for each:

Stereolithographie (SLA)

Der Großvater der additiven Fertigung, das SLA-Verfahren, hat sich in den letzten 40 Jahren nicht auf seinen Lorbeeren für den 3D-Druck ausgeruht, und die heutigen Maschinen sind viel schneller und genauer als ihre Vorgänger. Dennoch arbeiten sie alle mit einem UV-Laser, der die Umrisse und das Innere jeder Schicht nachzeichnet und das flüssige Harz dabei aushärtet. Sobald jede "Scheibe" fertig ist, senkt sich die Bauplattform leicht ab, frisches Harz wird über die gehärtete Oberfläche gezogen, und der Prozess wird wiederholt, bis der Bau abgeschlossen ist. Auch hier sind sehr feine Details möglich, wenn auch mit niedrigeren Geschwindigkeiten als bei den anderen harzbasierten Verfahren.

PolyJet

Stellen Sie sich einen Tintenstrahldrucker vor, der anstelle von Tinte ein flüssiges Photopolymerharz auf eine Bauplatte aufträgt; nach Abschluss jeder Schicht wird das Harz durch ein UV-Licht ausgehärtet. PolyJet ist eine der wenigen AM-Technologien, die mehrere Materialtypen in einem einzigen Bauprozess unterstützt, einschließlich eines wachsartigen Trägermaterials, das vom fertigen Werkstück abgewaschen wird, sobald es die Baukammer verlässt. Diese Fähigkeit ermöglicht es Designern, Prototypen zu erstellen, die zwei Farben oder Durometer (Härte) kombinieren, und ist damit ideal für flexible Teile wie Dichtungen und Verschlüsse.

PolyJet allows you to add overmolds to your designs, so you can get parts that incorporate multiple durometers.

Materialien für den 3D-Druck auf Harzbasis

Diese Drucker können auch Harze verarbeiten, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, so dass sie für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können. Dazu gehören weiche und matschige silikonähnliche Materialien, Harze, die beim Aushärten hart und hitzebeständig wie Keramik werden, Allzweckharze, die ABS oder Polypropylen (PP) nachahmen, und polycarbonatähnliche Harze, die klare oder durchscheinende Teile mit hoher Steifigkeit liefern. Im Vergleich dazu sind nicht-Harz-basierte SLS- und MJF-Drucker, hauptsächlich auf Nylon und PP beschränkt, während FDM eine Vielzahl von thermoplastischen Materialien drucken kann, wenn auch nicht annähernd mit der Genauigkeit oder Geschwindigkeit seiner Konkurrenten.

Es ist wichtig zu wissen, dass Harze sorgfältig gelagert werden müssen, normalerweise vor Licht geschützt und bei kontrollierten Temperaturen. Und da sie flüchtige organische Verbindungen (VOC) enthalten, müssen sie in gut belüfteten Bereichen verwendet werden, und auch der Kontakt mit der menschlichen Haut sollte vermieden werden.

Harze sind in der Regel teurer als Filament und Pulver und oft herstellereigene Materialien. Aber angesichts der Vielfalt der verfügbaren Materialien und der robusten physikalischen Eigenschaften ist das Kostendelta oft zweitrangig gegenüber der Produktleistung.

Materialien für den 3D-Druck auf Harzbasis

Diejenigen, die dies lesen, mögen sich angesichts der relativ niedrigen Kosten von Desktop-Druckern fragen: Warum nehmen wir unser Schicksal nicht selbst in die Hand und kaufen uns ein eigenes Gerät für das Prototyping? Das ist sicherlich möglich, und einige Unternehmen haben genau das getan, obwohl viele schnell erkannt haben, dass Drucker für den industriellen Einsatz in der Regel eine höhere Präzision und glattere Oberflächen bieten, ganz zu schweigen von einer deutlich höheren Geschwindigkeit und einem größeren Bauvolumen.

Industriedrucker bieten auch eine umfangreichere Materialauswahl als Desktop-Geräte. Für einfache Prototypen ist dies wahrscheinlich kein großes Unterscheidungsmerkmal, aber wenn es um Funktionstests geht, ist es von entscheidender Bedeutung, dem Endverbrauchermaterial so nahe wie möglich zu kommen. Und auch hier gilt, dass die verwendeten Harze ordnungsgemäß gelagert und innerhalb ihrer begrenzten Haltbarkeit verbraucht werden müssen.

Aber der vielleicht wichtigste Grund, sich für die Industrie zu entscheiden, ist die Erfahrung. Ein Beispiel dafür ist Daniel Lubiner, ein Sonderschullehrer, der mit blinden und sehbehinderten Kindern arbeitet und Probleme hatte, seine BrailleDoodle Entwurf vom Papier zum Prototyp zu bringen. Nachdem er in mehrere Iterationen investiert hatte, die nicht den Anforderungen an die Genauigkeit oder die Oberflächenbeschaffenheit des Geräts entsprachen, wandte er sich an uns, um Hilfe zu erhalten. Das 3D-Druckteam fertigte die drei Hauptkomponenten des Prototyps im industriellen SLA-Verfahren aus ABS-ähnlichem Kunststoff, von denen einige Merkmale von nur 0,0508 mm aufweisen.

Ein anderes Beispiel? Das Medizintechnik-Startup UVision360 nutzte das mikroauflösende SLA-Verfahren und den duroplastischen Kunststoff MicroFine Green von Protolabs, um Miniaturteile für sein Hysteroskopiesystem Luminelle herzustellen. Auf diese Weise konnte das kleine Unternehmen Werkzeugkosten in Höhe von rund 200.000 Pfund vermeiden und den Entwicklungszyklus um Monate verkürzen.

In diesen und anderen Fällen hätten die Unternehmen annehmen können, dass die Investition von ein paar Tausend Pfund in einen Desktop-SLA-Drucker für ihre Prototyping-Zwecke "gut genug" wäre. Sie hätten sich jedoch geirrt. Wie viele unerfahrene Anwender festgestellt haben, gehört zum erfolgreichen 3D-Druck viel mehr als nur die Ausrüstung, und nur durch umfassende Erfahrung und eine nicht geringe Menge an Feuerproben können Unternehmen diesen zutiefst technischen Prozess meistern.

Ausgelagerter 3D-Druck vs. Inhouse: Seite-an-Seite-Vergleich

	Vorteile	Nachteile
Ausgelagerter 3D-Druck	Mehr Technologien und Materialien verfügbar größere Produktionskapazitäten	Möglicherweise längere Vorlaufzeiten Höherer Stückpreis
Inhouse 3D-Druck	Praktisch Keine Wartezeit für ein Angebot Schnellste Teilelieferung	Begrenzt in Bezug auf Qualität und Genauigkeit der Teile und die Materialauswahl Anforderungen an die Arbeitsumgebung Vorabinvestitionen in Maschinen

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Nachbearbeitung

Die harzbasierten 3D-Drucktechnologien haben noch einige weitere Gemeinsamkeiten. Dazu gehört vor allem die Notwendigkeit von Stützkörpern, die nach dem Druck entfernt werden müssen. Wie bereits angedeutet, kann das Entfernen der Stützen mit dem PolyJet-Verfahren recht einfach sein - die Teile müssen nur gewaschen werden -, während SLA-Teile etwas mehr Aufwand erfordern, nämlich das Abbrechen der Stützen und die Verwendung von etwas Schleifpapier, um den entstandenen Noppen zu glätten.

Weitere mögliche Nachbearbeitungsoptionen sind Vapour Smoothing, Färben, Beschriftung, Lackieren und Oberflächenstrukturierung, die alle auch bei den anderen Polymer-3D-Druckdiensten von Protolabs verfügbar sind. Beachten Sie, dass nicht alle diese Nachbearbeitungsoptionen für jedes Druckverfahren verfügbar sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jedes dieser harzbasierten 3D-Druckverfahren hochwertige Teile mit feinen Details und überragender Genauigkeit liefert - die Entscheidung, welches Verfahren für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, hängt von zahlreichen Faktoren ab, darunter Teilegröße, Stückzahl, Materialverfügbarkeit und zahlreiche andere Überlegungen, die am besten mit einem unserer 3D-Druckexperten besprochen werden. Senden Sie uns eine E-Mail an [email protected] oder rufen Sie uns an unter +49 (0)89 905002 0.

By Alex Lothspeich, 3D printing applications engineer