UV härtender 3D-Druck – Die bahnbrechende Wirkung von Photopolymeren

Im UV 3D-Druck werden flüssige Photopolymere zur Herstellung fester Objekte eingesetzt. Wie sehen diese Verfahren aus und warum sind Photopolymere ein entscheidender Faktor in der modernen Fertigung? Werfen wir einen Blick auf die am häufigsten verwendeten UV-härtenden 3D-Druckverfahren und ihre wichtigsten Komponenten - die Photopolymere.

Was ist UV 3D-Druck?

Der UV 3D-Druck nutzt die Photopolymerisation, um die gewünschten Objekte Schicht für Schicht aufzubauen. Zu den gängigen Druckverfahren gehören Stereolithografie (SLA), Digital Light Processing (DLP) sowie Continuous Liquid Interface Production (CLIP) und MultiJet Modeling (MJM).

Auch wenn sich die Verfahren unterscheiden, kommt bei allen ein Behälter mit flüssigem Photopolymerharz zum Einsatz, welches empfindlich auf ultraviolettes (UV) Licht reagiert.

Zu Beginn des Druckvorgangs wird das flüssige Harz gezielt dem UV-Licht ausgesetzt, wodurch es sich verfestigt.

Der UV 3D-Druck mit Photopolymeren ermöglicht die Herstellung hochauflösender und detailreicher Objekte bei gleichzeitiger Verkürzung der Produktionszeit und Reduzierung des Materialabfalls. Daher findet die Technologie in den verschiedensten Branchen Anwendung, unter anderem beim 3D-Druck in der Medizin, Schmuck aus dem 3D-Drucker, in der Luft- und Raumfahrt und beim 3D-Druck Automobilindustrie.

UV härtender 3D-Druck - Gängige Methoden

UV härtender 3D-Druck bedient sich verschiedener Methoden zur Herstellung von Objekten. Zu den gängigsten Verfahren gehören SLA, DLP, CLIP und MJM.

Stereolithographie (SLA)

Die Stereolithographie (SLA) ist eines der am weitesten verbreiteten Verfahren zur schichtweisen Herstellung von 3D-Objekten, das vor allem für seine hochauflösenden und sehr detaillierten 3D-Drucke geschätzt wird.

Dem SLA 3D-Druck Verfahren liegt ein digitales 3D-Modell des zu druckenden Objekts zu Grunde. Dieses digitale Modell wird mit Hilfe von CAD-Software (Computer-Aided Design) oder durch 3D-Scanning erstellt. Der Drucker besteht aus einem Behälter oder Tank, der mit flüssigem Photopolymerharz gefüllt ist.

Dort, wo das UV-Licht auf das Harz trifft, wird die Photopolymerisationsreaktion ausgelöst. Dabei verhärtet sich das flüssige Harz und verwandelt sich in festes Material.

Die Bauplattform wird dann schrittweise angehoben, so dass die nächste Schicht des Objekts auf die vorherige Schicht gedruckt werden kann. Dieser schichtweise Bauprozess wird fortgesetzt, bis das gesamte 3D-Objekt fertiggestellt ist.

Eine Nachbearbeitung ist in der Regel erforderlich, um das gedruckte Objekt zu reinigen und fertigzustellen. Dazu gehört häufig das Spülen des Objekts in einem Lösungsmittel oder Isopropylalkohol, um eventuell verbliebenes flüssiges Harz zu entfernen. Das Objekt kann auch zusätzlich mit UV-Licht bestrahlt werden, um die vollständige Aushärtung des Materials zu gewährleisten.

Digital Light Processing (DLP)

Digital Light Processing (DLP) ähnelt der Stereolithographie (SLA) darin, dass auch hier Photopolymerharz Schicht für Schicht aufgetragen wird, um 3D-Objekte herzustellen. Der Hauptunterschied liegt dabei in der Anwendung des UV-Lichts zur Verfestigung des Harzes während des Druckvorgangs.

Auch beim DLP-3D-Druck beginnt der Druckprozess mit einem digitalen 3D-Modell des zu druckenden Objekts. Während der Entwurf des digitalen Modells dem SLA-Verfahren ähnelt, liegt der Unterschied im Photopolymerisationsverfahren. Anstelle eines Lasers verwenden DLP-Drucker einen digitalen Mikrospiegelaktor (Digital Micromirror Device, DMD) oder eine Anordnung von Mikrospiegeln..

Diese Spiegel projizieren UV-Licht auf die gesamte Schicht des Objekts, welche mit einer einzigen Belichtung verfestigt wird – im Gegensatz zum Punkt-für-Punkt-Scannen beim SLA-Verfahren. Dadurch können DLP-Drucker eine höhere Druckgeschwindigkeit erreichen. Digital Light Processing hat sich aufgrund seiner Geschwindigkeit und Effizienz bei der Herstellung von 3D-Drucken mit hoher Auflösung und feinen Details durchgesetzt.

Continuous Liquid Interface Production (CLIP)

Continuous Liquid Interface Production (CLIP) ist eine innovative 3D-Drucktechnologie, die von Carbon3D (auch bekannt als Carbon Inc.) entwickelt wurde. CLIP stellt im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie Stereolithographie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf Geschwindigkeit und Qualität des 3D-Drucks dar, da es eine Kombination aus UV-Licht und Sauerstoff nutzt, um Objekte aus einem flüssigen Photopolymerharz herzustellen.

Im Gegensatz zu den schichtweisen Verfahren der meisten 3D-Drucktechnologien arbeitet CLIP kontinuierlich, ohne dass eine Bauplattform nach dem Aushärten jeder Schicht schrittweise bewegt werden muss. Nach Fertigstellung des CAD-Modells projiziert der CLIP-3D-Drucker eine Folge von UV-Bildern auf eine transparente, sauerstoffdurchlässige Membran. Zwischen der Membran und dem zu druckenden Objekt befindet sich die "Dead Zone”, eine sehr dünne Harzschicht, die nie aushärtet, da Sauerstoff durch die Membran hindurchdringt.

Innerhalb dieser Dead Zone wird das Photopolymerharz dem UV-Licht ausgesetzt, wodurch es photopolymerisiert und an der Grenzfläche zwischen dem flüssigen Harz und der Membran verfestigt wird. Gleichzeitig wird gezielt Sauerstoff in die Dead Zone eingeführt, wodurch eine dünne, flüssige Trennschicht zwischen dem verfestigten Teil und dem restlichen Harz entsteht.

Die entscheidende Innovation von CLIP liegt in der kontinuierlichen Bewegung der Bauplattform, die das Objekt aus dem Flüssigharzbad nach oben hebt. Dabei wird das Objekt fortlaufend aus dem Harzbad herausgezogen, wodurch sich die flüssige Oberfläche verfestigt und die gewünschte 3D-Form bildet. Dieser kontinuierliche Prozess ermöglicht höhere Druckgeschwindigkeiten als herkömmliche Schicht-für-Schicht-Verfahren.

MultiJet Modeling (MJM)

MultiJet Modeling (MJM) ist eine von 3D-Systems entwickelte 3D-Drucktechnologie, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, hoch detaillierte und genaue Modelle mit einer glatten Oberfläche herzustellen. Das MJM-Verfahren verwendet mehrere Druckköpfe, um Tröpfchen aus flüssigen Photopolymeren präzise Schicht für Schicht auf eine Bauplattform aufzutragen.

Sobald eine Schicht des Modells gedruckt ist, wird das Material mit UV-Licht sofort verfestigt. Dann wird die nächste Schicht aufgetragen und der Vorgang wiederholt, bis das gesamte Modell fertiggestellt ist.

Das Verfahren ermöglicht die Verwendung verschiedener Materialien und Farben in einem einzigen Druckverfahren und wird daher zur Herstellung realistischer Prototypen und Modelle genutzt, die in verschiedenen Bereichen wie Design, Produktentwicklung oder Medizin- und Dentaltechnik zum Einsatz kommen.

Mehr Information zur Additiven Fertigung: Was ist Material Jetting?

Photopolymere: Der Hauptbestandteil des UV 3D Drucks

Photopolymere machen UV härtenden 3D-Druck erst möglich. Vat-Photopolymer-Harze sind in einer Vielzahl von Formulierungen erhältlich, die jeweils einzigartige Materialeigenschaften aufweisen. Die Hauptbestandteile sind Monomere/Oligomere, Photoinitiatoren sowie Additive.

Monomere/Oligomere

Monomere können mit den Bausteinen von Photopolymerharzen verglichen werden. Sie sind kleine, molekulare Einheiten, die in der Lage sind, chemische Bindungen mit anderen Monomeren einzugehen. In ihrem flüssigen Zustand bestehen Photopolymerharze hauptsächlich aus Monomeren. Diese Monomere sind so beschaffen, dass sie bestimmte chemische Eigenschaften aufweisen, z. B. niedrige Viskosität oder hohe Lichtreaktivität.

Oligomere hingegen sind grössere Moleküle, die aus der Kombination mehrerer Monomere durch chemische Bindung entstehen.

Sie beeinflussen vor allem mechanische Eigenschaften, Festigkeit und Haltbarkeit des 3D-Druckobjekts.

Durch die gezielte Auswahl der verschiedenen Oligomere und des jeweiligen Anteils können die Hersteller die Eigenschaften des endgültigen gedruckten Teils genau abstimmen. Die richtige Wahl der Monomere und Oligomere in Photopolymeren ist daher entscheidend für das Erreichen bestimmter Materialeigenschaften wie Flexibilität, Festigkeit, Widerstandsfähigkeit oder Transparenz.

Photoinitiatoren

Photoinitiatoren sind im Allgemeinen organische Verbindungen, die auf bestimmte Wellenlängen des UV-Lichts empfindlich reagieren. Wenn die Photoinitiatoren UV-Licht der entsprechenden Wellenlänge absorbieren, kommt es zu einer photochemischen Reaktion, die je nach Art des Photoinitiators hochreaktive Spezies erzeugt.

Diese reaktiven Spezies leiten den Polymerisationsprozess ein, indem sie die chemischen Bindungen in den im Harz vorhandenen Monomeren und Oligomeren aufbrechen. Infolgedessen beginnen sich die Monomere und Oligomere miteinander zu verbinden und bilden lange Ketten, die als Polymere bezeichnet werden.

Diese Vernetzung der Moleküle führt zur Verfestigung des flüssigen Harzes, wodurch das gewünschte 3D-Druckobjekt entsteht.

Photoinitiatoren werden sorgfältig ausgewählt, damit sie zu der jeweiligen UV-Lichtquelle passen, die im 3D-Drucker verwendet wird. Die Photoinitiatoren verfügen dabei über unterschiedliche Absorptionsspektren, die auf verschiedene Wellenlängenbereiche des UV-Lichts reagieren. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Photoinitiators entscheidend für eine effiziente und kontrollierte Photopolymerisation unter den gegebenen Bedingungen der UV-Belichtung.

Additive

Additive sind Substanzen, die der Polymerformulierung zugesetzt werden, um deren Eigenschaften zu verändern. Jedes Additiv dient einem bestimmten Zweck, daher ist die optimale Zusammensetzung wichtig, um beim Endprodukt die gewünschten Eigenschaften zu erzielen.

Stabilisatoren sind Additive, die den Abbau des Polymers während der Lagerung oder bei längerer Lichteinwirkung verhindern, während Weichmacher dazu dienen, die Flexibilität zu erhöhen sowie die Sprödigkeit von Photopolymeren zu verringern.

Andere Additive wie Pigmente und Farbstoffe werden verwendet, um den Photopolymeren Farbe oder Opazität zu verleihen und sie so ästhetisch ansprechender oder für bestimmte Verwendungszwecke funktioneller zu machen. Es ist sogar möglich, Photopolymeren Flammschutzmittel zuzusetzen, um sie feuerfest zu machen bzw. ihre Entflammbarkeit zu verringern und somit die Sicherheit zu erhöhen.

Das Endprodukt im UV 3D-Druck hängt von der richtigen Wahl des Photopolymers ab

Neben dem geeigneten Herstellungsprozess ist die Wahl der Photopolymere entscheidend, um hochwertige 3D-Drucke zu erzeugen, die alle Anforderungen erfüllen. RAHN ist Ihr Partner für den 3D-Druck und entwickelt massgeschneiderte Photopolymere für jeden Zweck.

Wir sind Experten auf dem Gebiet der Photopolymere und unsere Labors sind mit SLA-, DLP- und LCD-3D-Druckern auf höchstem Industriestandard ausgestattet. Dadurch sind wir in der Lage massgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die perfekt auf Ihre Bedürfnisse abgestimmt sind.

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