Alles, was Sie bei der Auswahl von Materialien für den 3D-Druck wissen müssen: Tipps und Empfehlungen der cotu s.r.o.

In den Anfängen war die Stereolithografie für normale Anwender unzugänglich. Teure 3D-Drucker und Materialien waren die Haupthindernisse, wobei das Material zudem spröde und anfällig für schnelle Alterung war, was es nur für das Prototyping prädestinierte.

In letzter Zeit begannen diese Hindernisse jedoch zu verschwinden. Dank günstiger LCD-Konstruktionen haben sich stereolithografische Drucker auch in der breiten Öffentlichkeit verbreitet. Dennoch bleibt die Aufbereitung von 3D-Druckdaten manchmal problematisch. Wenn das Bauteil jedoch korrekt ausgerichtet ist, ist das Ergebnis die Mühe wert.

Die entscheidende Frage bleibt jedoch: Ist es möglich, mit Stereolithografie funktionale Kunststoffteile herzustellen? Dieser Artikel wird Ihnen einen Teil der Problematik bei der Auswahl eines geeigneten Materials aufzeigen und vielleicht das nicht unbeträchtliche Potenzial für unsere Zukunft ein wenig beleuchten.

Aktuelle Entwicklung von Photopolymeren

Dank moderner organischer Chemie haben sich Materialien für die Stereolithografie in den letzten Jahren deutlich verbessert. Die ersten Materialien waren spröde, die neueste Generation ist jedoch deutlich widerstandsfähiger und ersetzt thermoplastische Kunststoffe vollständig.

Die erste Generation, die wir ab 2014 einsetzten, basierte auf Monomeren aus fossilen Quellen. Diese Monomere waren sowohl in ihrer ungehärteten Form als auch nach der Aushärtung toxisch und riskant. Klebrige Oberflächen und allergische Reaktionen waren häufige Probleme. Deshalb empfehlen wir, immer den Abschnitt Hazard Statements durchzulesen und auf die Gefahrenpiktogramme im Dokument namens MSDS - zu Deutsch Sicherheitsdatenblatt - zu achten. Viele Hersteller produzieren diese toxischen Materialien bis heute, obwohl sie sich ihrer Mängel sehr wohl bewusst sind. Diese Materialien sind oft billig und leicht auf dem Markt erhältlich. Ihre flüssige Konsistenz ermöglicht einen einfachen Druck, haben aber leider erhebliche Nachteile. Sie sind spröde und verformen sich relativ schnell, was ihre Verwendung auf das Prototyping beschränkt.

Die zweite Generation von Materialien, basierend auf nachwachsenden Rohstoffen, erschien im Jahr 2018. Diese Materialien, die aus größeren „Bauteilen“ (Oligomeren) bestehen, sind dichter und erfordern zum Drucken eine Heizung. Ihre deutlich längere Haltbarkeit und UV-Beständigkeit ermöglichten ihre Verwendung auch in der Serienfertigung. Ihre Widerstandsfähigkeit ist vergleichbar mit Plexiglas; selbst bei einem Sturz aus zwei Metern Höhe zerbrechen sie nicht. Es wurde eine Entwicklung von Materialien erreicht, die die Eigenschaften von ABS, PP und der ersten Generation flexibler Kautschuke nachahmen.

Im Jahr 2021 wurde eine Reihe von Patenten genehmigt, was zur Entwicklung der dritten Generation von „monomerfreien“ Materialien führte. Diese Materialien, basierend auf Oligomeren und Makromeren, sind natürlich, hochgradig biokompatibel und weisen eine hohe Widerstandsfähigkeit auf. Der Druck mit diesen Materialien auf 3D-Druckern der unteren Preisklasse kann anspruchsvoll, aber mit etwas Mühe machbar sein. Im professionellen Umfeld liefert die höhere Klasse der DLP-Drucker zuverlässigere Ergebnisse, da sie mit Heizung und Sensoren ausgestattet sind, die die Dicke jeder Schicht überwachen. Diese Materialien sind extrem widerstandsfähig und halten selbst einem Sturz aus mehr als vier Metern Höhe stand. Das Ergebnis sind mechanisch beständige Materialien ähnlich wie POM, Nylon, PA12, PEEK sowie funktionale abriebfeste Kautschuke.

Preis vs. Generation

Einsatz in der Industrie und Frage der Beständigkeit

Während die meisten SLA-Materialien schnell degradieren und ihre Eigenschaften verändern, behalten die hochwertigsten Materialien ihre mechanischen Eigenschaften auch nach 5 Jahren und mehr bei. Es gibt Materialien mit verschiedenen Eigenschaften, einschließlich zäher, starrer, superharter, flexibler gummiartiger, transparenter, hochtemperaturbeständiger Materialien sowie Verbundwerkstoffen. Moderne Materialien ähneln oft herkömmlichen Kunststoffen wie ABS, PP, POM, Nylon, PA12, PEEK und erreichen eine ähnliche Beständigkeit wie Thermoplaste.

Zerbrechlichkeit - Schlagzähigkeit vs. Generation

Einige Materialien enthalten Beimischungen wie Keramik, Mineral- oder Kohlenstofffasern oder Graphen. Es gibt auch spezielle Serien, wie selbstverlöschende (UL94 V0), elektrisch leitfähige oder ESD-Materialien, und was fertige Materialien nicht bieten, kann maßgeschneidert gemischt werden.

Ein großes Thema ist auch das Postprocessing, das einen wesentlichen Einfluss auf die mechanische Beständigkeit der Teile hat. Die richtige Reinigung ist entscheidend, um die Zähigkeit und Unzerbrechlichkeit der Materialien zu gewährleisten. Es ist notwendig, die empfohlenen Verfahren im Produktdatenblatt oder im IFU-Dokument (Gebrauchsanweisung) zu befolgen, in dem die Hersteller geeignete Methoden zur Reinigung und Aushärtung der gedruckten Teile beschreiben. Zum Beispiel kann allein durch eine einstündige Belüftung nach der Reinigung die Widerstandsfähigkeit um bis zu 30 % erhöht werden.

Die Beständigkeit wird auch durch das Design des Bauteils beeinflusst. Stereolithografie vom Typ DLP und LCD druckt Innenwinkel so scharf, wie sie im Entwurf definiert sind. Diese scharfen Winkel können eine Schwachstelle sein, daher ist es ratsam, sie abzurunden, um Risse zu vermeiden.

Diese Problematik ist umfangreich und kann im Rahmen dieses Artikels nicht vollständig abgedeckt werden. Wir teilen daher gerne weitere Erfahrungen und Erkenntnisse in weiteren Publikationen mit Ihnen.

Was im Materialdatenblatt zu suchen ist

Bei den meisten Materialien würden Sie vergeblich nach einem Materialdatenblatt suchen. Einige Materialmarken sind sich jedoch bewusst, dass der Einstieg in die industrielle Produktion bestimmte Garantien erfordert. Daher bieten sie Materialien mit einem ausgearbeiteten Materialdatenblatt an. Dieses enthält nicht nur grundlegende mechanische Eigenschaften, sondern auch wichtige Informationen über Verwendungszweck, Beständigkeit, Arbeitstemperatur, Wasseraufnahme, Biokompatibilität und elektrotechnische Eigenschaften.

Einer der wichtigsten Faktoren für Anwender ist die Veränderung der mechanischen Eigenschaften im Laufe der Zeit. Einige Materialdatenblätter enthalten daher Alterungstests durch Hitze, Witterungseinflüsse (Sonne, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit) sowie das Verhalten des Materials in chemischen Umgebungen.

Offener Zugang zu Materialien

Viele 3D-Druckerhersteller haben erkannt, dass es besser ist, sich voll auf die Verbesserung ihrer Geräte zu konzentrieren, anstatt zu versuchen, auch Materialhersteller zu sein. Deshalb haben sie ihre Systeme geöffnet und ihren Kunden ermöglicht, die Vorteile industrieller Materialien anderer Marken zu nutzen.

Die Firma BASF bietet Materialien mit mittlerer Beständigkeit an, die auch auf LCD-Druckern der unteren Preisklasse leicht druckbar sind und eine gute Auflösung erreichen. Sie sind zwar billig, haben aber eine höhere Toxizität.

Die Marke Loctite stellt sicherere Materialien her, die zwar teurer sind, aber das Ergebnis ist immer die Mühe wert. Diese Materialien sind bei höherer Temperatur und größerer Lichtleistung, die insbesondere DLP-Drucker aufweisen, besser druckbar. Mit etwas Mühe funktionieren sie jedoch auch auf LCD-Druckern der unteren Klasse.

Materialien der Marke Evonik sind auf allen Druckertypen sehr gut druckbar, hochgradig widerstandsfähig und erfordern eine zusätzliche thermische Aushärtung.

Die Marke Liqcreate bietet teurere, aber ökologische Materialien mit mittlerer Beständigkeit an, die auch auf LCD-Druckern der unteren Klasse gedruckt werden können.

Core Alpha ist das widerstandsfähigste Material, erfordert jedoch einen anspruchsvollen 3D-Druckprozess und spezielle Anlagen zur Aushärtung in der Wärme unter Vakuum. Dieses Material ist für die Produktion nicht leicht einsetzbar.

Fazit

Materialien für die Stereolithografie durchlaufen in den letzten Jahren eine Renaissance und bieten eine Reihe von Vorteilen. Im Vergleich zu anderen Technologien verfügen sie über ein wesentlich vielfältigeres Portfolio an Materialien, die detailliert beschrieben sind und eine individuelle Anpassung an unsere Bedürfnisse ermöglichen.

Obwohl diese Materialien teurer sind, ist die Technologie kompakt, hat einen niedrigen Energiebedarf und ist hochproduktiv. Investitionen in einen zuverlässigen und leistungsstarken 3D-Drucker der höheren Klasse übersteigen nicht die Summe von einer Million Kronen. Diese Drucker haben eine Lebensdauer von etwa einem Jahrzehnt und erfordern minimale Wartung. Es kommt zu einer schrittweisen Automatisierung, Vereinfachung der Oberflächenbehandlungen der gedruckten Teile und Optimierung der Teile, nicht nur durch Gewichtsreduzierung.

In vielen Fällen ist es daher sinnvoll, den Ersatz konventioneller Fertigungsmethoden durch diese Technologie in Erwägung zu ziehen oder sich anzueignen. Bei der Einführung in die Praxis ist es wichtig, mit einem Verkäufer zusammenzuarbeiten, der Erfahrung mit der Produktion hat und Sie ohne Zeit- und Finanzverluste durch diese Problematik führen kann.

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