Wenn Sie einen Stereolithografie-3D-Drucker (SLA) verwenden, müssen Sie verstehen, wie Ihre 3D-Druckteile aus Kunstharz nachzuhärten sind. Durch das Nachhärten erreichen Druckteile ihre höchstmögliche Festigkeit und werden stabiler. Die verschiedenen Kunstharze verhalten sich beim Nachhärten jedoch leicht unterschiedlich und benötigen verschiedene Nachhärtezeiten und -temperaturen, um die optimalen Materialeigenschaften auszubilden.
Warum sollte man Drucke aus Kunstharz nachhärten?
Jedes Formlabs-Kunstharz besteht aus fortschrittlichen, lichtempfindlichen Polymerverbindungen. Formlabs' SLA-Drucker (Stereolithografie) verwenden 405-nm-Laser zum Aushärten des flüssigen Kunstharzes, wodurch ein hochpräzises festes Teil entsteht. Wenn der Druck eines SLA-Teils abgeschlossen ist, befindet es sich auf der Konstruktionsplattform als das, was wir ein „grünes“ Teil nennen. Diese Teile haben dabei zwar ihre endgültige Form erreicht, jedoch ist die Polymerisierungsreaktion noch nicht ganz abgeschlossen und die mechanischen Eigenschaften sind somit noch nicht vollständig ausgeprägt. Das Nachhärten mit Licht und Hitze ist der Schlüsselprozess zur Erreichung optimaler Materialeigenschaften bei SLA-3D-Drucken. Bei biokompatiblen Materialien ist die Nachhärtung notwendig, um die von den Aufsichtsbehörden vorgeschriebenen Sicherheitsstandards zu erfüllen.
Insbesondere bei funktionellen Kunstharzen oder Spezial-Kunstharzen sind optimale Materialeigenschaften entscheidend. Der Form Cure und der Form Cure L, die Nachhärtungslösungen von Formlabs, wurden dafür entwickelt, Druckteile aus den Kunstharzen von Formlabs schnell und konsistent nachzuhärten. Unsere Ingenieure haben den Form Cure und Form Cure L speziell für die Formlabs-Kunstharze konzipiert, sodass sie mit einem Licht von 405 nm arbeiten, genau wie die Laser in unseren SLA-3D-Druckern. In der reflektierenden Kammer der Geräte werden die Teile erhitzt und automatisch rotiert, um eine gleichmäßige und durchgehende Nachhärtung zu garantieren.
Einführung in die Wissenschaft der Nachhärtung
Die im SLA-3D-Druck verwendeten Kunstharze kann man sich als Makromolekül mit zahlreichen Querverbindungen oder als kontinuierliches Netzwerk von Polymerketten (Monomere und Oligomere) vorstellen. Diese Makromoleküle verfügen über einige reaktive Gruppen, die sich im Polymernetzwerk bei Kontakt mit Licht oder Hitze noch weiter vernetzen können.
Mit zunehmender Zahl an Querverbindungen verbessern sich Materialeigenschaften wie Zugmodul und Zugfestigkeit. Ziel des Nachhärtens ist es, möglichst viele dieser freien reaktiven Gruppen zu verbinden, um dem Teil seine maximalen Materialeigenschaften zu verleihen.
Wurden die optimalen Materialeigenschaften erreicht, kann weiteres Nachhärten bei einigen Kunstharzen zu Sprödigkeit oder Verformung führen. Daher muss das Verfahren für die Nachhärtung sowohl Zeit als auch Temperatur angeben, um ein übermäßiges Aushärten zu vermeiden. Es wird je nach Kunstharz und Geometrie des Teils individuell festlegt.
Eine optimale Nachhärtung beginnt mit Hitze. Steigende Temperaturen erhöhen die Energie und somit auch die Mobilität im Polymernetzwerk. Dadurch besteht eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass sich die reaktiven Gruppen finden und Verbindungen eingehen. Beide Nachhärtegeräte von Formlabs, der Form Cure und der Form Cure L, verwenden ein Heizelement, dank welchem die Nachhärtekammer schnell die gewünschte Temperatur erreicht und während des gesamten Nachhärtevorgangs beibehält.
Sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird auch Licht eingesetzt. Lichtphotonen aktivieren die verbleibenden Photoinitiatoren, wodurch nahegelegene reaktive Gruppen Verbindungen formen und den Vernetzungsprozess abschließen. Mit jeder neuen Querverbindung ist das Polymernetzwerk sicherer verbunden und die Materialeigenschaften verbessern sich.
Mit zunehmender Zahl der Querverbindungen im Kunstharz verdichtet sich das Netzwerk leicht, was zu einer geringfügigen Schrumpfung des gesamten Teils führt. Dieses Verhalten ist bei 3D-gedruckten Kunstharzteilen normal. PreForm, die kostenlose Druckvorbereitungssoftware von Formlabs, gleicht diese Schrumpfung automatisch aus, damit die Abmessungen Ihrer nachgehärteten Teile Ihren ursprünglichen CAD-Designs entsprechen.
Kontaktieren Sie unser Vertriebsteam
Ganz gleich, ob Sie schnelle Prototypen herstellen oder fertige Teile für die Endverwendung produzieren, wir stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite. Das Formlabs-Vertriebsteam besteht aus engagierten Fachleuten, die Sie und Ihr Unternehmen bei Bedarf mit professioneller Hilfe unterstützen.
Wie lange sollte man 3D-Drucke aus Kunstharz nachhärten?
Ideale Nachhärteeinstellungen sorgen dafür, dass die erforderlichen Eigenschaften bei kleinstmöglichem Zeitaufwand ausgebildet werden. Bei Formlabs' Standard-Kunstharzen kann dies eine schnelle, einminütige Nachhärtung im Form Cure V2 bedeuten. Wenn Festigkeit, Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit eine Rolle spielen, lassen sich mit Formlabs' technischen Kunstharzen bei einer Nachhärtung von bis zu 120 Minuten (je nach der verwendeten Nachhärteeinheit) verbesserte Eigenschaften erreichen.
Formlabs hat betriebsintern eine Studie zu den optimalen Nachhärteeinstellungen für jedes einzelne Formlabs-Kunstharz durchgeführt. Mit der ASTM-Methode haben unsere Materialwissenschaftler*innen für jedes Material eine Reihe mechanischer Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen getestet.
Alle aktuellen Empfehlungen der Nachhärteeinstellungen für den Form Cure V2, Form Cure V1, Form Cure L V2 und den Form Cure L V1 finden Sie auf unserer Website. Materialdatenblätter mit den spezifischen mechanischen Eigenschaften nach Abschluss der empfohlenen Nachhärtung können ebenfalls von unserer Website heruntergeladen werden.
Agostino Lobello, Produktentwicklungsingenieur bei Radio Flyer, berichtet: „Der größte Vorteil des Form Cure L ist auf jeden Fall der geringere Verzug und die bessere Maßgenauigkeit. Das spart uns Zeit beim Zusammenfügen von Baugruppen.“ Weitere Informationen dazu finden Sie hier.
Biokompatible Materialien und Nachhärtung
Immer mehr zahnmedizinische und medizinische Fachkräfte implementieren den 3D-Druck in ihre Arbeit. Daher müssen 3D-Druck-Unternehmen gewährleisten, dass der gesamte Vorgang kontrolliert darauf ausgelegt ist, durchgängig hochleistungsfähige Teile mit sicherer Biokompatibilität für die Endanwendung zu produzieren. Aufgrund der Biokompatibilitätsanforderungen müssen die zugelassenen Prozesse zwingend befolgt werden, was auch den Schritt der Nachhärtung mit einschließt.
Die Technologie von Formlabs wurde validiert für von der FDA zugelassenen Arbeitsabläufen. Das bedeutet, dass für jedes Kunstharz für biokompatible Anwendungen bestimmte Arbeitsschritte beim Druck, Waschvorgang und Aushärtung festgelegt sind, die ohne Abweichungen befolgt werden müssen, damit das fertige Teil als biokompatibel gilt.
Der Form Cure und der Form Cure L sind ein wichtiger Teil dieser Arbeitsabläufe. Beruhend auf sorgfältigen Tests und einem gründlichen Regulierungsprozess stellen die validierten Einstellungen für die Nachhärtezeit sicher, dass jedes für biokompatible Anwendungen gedruckte Teil optimale mechanische Eigenschaften besitzt und ausnahmslos sicher verwendet werden kann.
Spezifische Empfehlungen zur Nachhärtung für jedes Material finden Sie im Fertigungsleitfaden der einzelnen Materialien.
Proben der BioMed-Kunstharze
Jedes Probestück umfasst geprägte und hervorgehobene Merkmale, Ausschnittstärken von 0,5–2 mm sowie behördliche Regulierungen des jeweiligen Kunstharzes.
Methodik
Ideale Nachhärteeinstellungen sorgen dafür, dass die erforderlichen Eigenschaften bei kleinstmöglichem Zeitaufwand ausgebildet werden. Formlabs hat betriebsintern eine Studie zu den optimalen Nachhärteeinstellungen für jedes einzelne Formlabs-Kunstharz durchgeführt. Mit der ASTM-Methode haben unsere Materialwissenschaftler*innen für jedes Material eine Reihe mechanischer Eigenschaften bei verschiedenen Temperaturen getestet.
Um zu illustrieren, wie Nachhärtung die mechanischen Eigenschaften beeinflusst, wird in diesem Beispiel der Zugmodul betrachtet. Dieser demonstriert für jedes Kunstharz die Veränderung der Steifigkeit eines Teils je nach Nachhärtezeit im Form Cure oder Form Cure L. Teile mit einem höheren Zugmodul haben eine höhere Formbeständigkeit unter Belastung. Der Zugmodul hängt stark davon ab, wie vollständig die Querverbindungen der Photopolymerketten im Druckteil ausgebildet sind. Deshalb benutzt Formlabs den Modul, um den Gesamtfortschritt der Nachhärtung zu messen.
Ein „grünes“ Modell wird durch Aushärtung des Kunstharzes beim Druckvorgang geformt, einige potentielle Bindungen von Polymeren bleiben dabei jedoch frei. Zusätzliche Querverbindungen der verbleibenden Polymere verbessern die Festigkeit, Steifigkeit, und Temperaturbeständigkeit noch weiter. Das Nachhärten führt außerdem zu einer geringfügigen Schrumpfung des Teils. Formlabs misst die Genauigkeit und die mechanischen Eigenschaften anhand einer Standard-Nachhärtung. Die Materialeinstellungen werden so abgestimmt, dass die Schrumpfung bei denselben Konditionen ausgeglichen wird. Einige Kunstharze erfordern keine Nachhärtung, doch ihre mechanischen Eigenschaften ändern sich, wenn sie nachgehärtet werden.
Beispiel: Empfohlene Nachhärteeinstellungen für Rigid 4000 Resin
Rigid 4000 Resin zeigt in diesem Beispiel mit 116 % in den ersten 15 Minuten der Nachhärtung einen steilen Anstieg des Elastizitätsmoduls. Nach 15 Minuten sind keine weiteren Verbesserungen feststellbar.
Rigid 4000 Resin ist ein glasgefüllter Verbundwerkstoff für Teile, die hohe Steifigkeit und Festigkeit sowie geringe Verformung unter Last erfordern. Festigkeit und Steifigkeit werden durch die Nachhärtung unmittelbar erhöht, da die zusätzlichen Querverbindungen die Mikroglaspartikel in der Polymermatrix fest verankern. Die Nachhärtung von Rigid 4000 Resin wird deutlich durch die Temperatur beeinflusst. Bei hohen Temperaturen sieht man eine starke Verbesserung des Elastizitätsmoduls schon mach kurzer Zeit. Ein Nachhärten von mehr als 15 Minuten hat keine Auswirkung auf die Eigenschaften, führt jedoch zu einer Gelbfärbung und wird nicht empfohlen. Für die meisten Anwendungen von Rigid 4000 Resin sollte das Material im Form Cure 15 Minuten lang bei 80 °C nachgehärtet werden.
Fehlerbehebung beim Nachhärten
Die häufigsten Probleme beim Nachhärten von Teilen sind mangelnde Aushärtung und ein Verziehen. Erscheinen Teile schwächer und weicher als erwartet, wurden sie vielleicht nicht genügend nachgehärtet. Mangelnde Aushärtung zeigt sich meist bei Teilen, die besonders dick oder groß sind, da das Erhitzen größerer Teile länger dauert. Licht allein kann fast nur die Oberfläche eines Teils nachhärten. Deshalb nutzen der Form Cure und der Form Cure L neben Licht auch Hitze. Falls ein Teil deutlich größer oder dicker ist als die Testgeometrien von Formlabs, benötigt es eventuell eine längere Nachhärtezeit oder höhere Temperaturen, um auch im Inneren vollständig nachzuhärten.
Verziehen tritt beim Nachhärten auf, wenn ein Teil besonders dünn ist und dem Licht nicht gleichmäßig von allen Seiten ausgesetzt wird. Der Form Cure und der Form Cure L verhindern ein Verziehen, indem das Teil während des Nachhärtens auf einem Drehteller rotiert wird. Außerdem wird das Teil von allen Seiten dem Licht ausgesetzt, selbst von unterhalb des Drehtellers.
Nachgehärtete Teile sind außerdem spröder als Grünteile. Typischerweise nimmt die Dehnbarkeit mit steigendem Modul ab; deshalb können übermäßig ausgehärtete Teile unerwünscht spröde sein.
Ausrüstung zum Nachhärten
Es gibt viele Methoden zum Nachhärten, vom einfachen Härten mit Licht (Sonnenlicht, UV-Nagellampen, UV-Härtestationen, selbstgebaute UV-Härtekästen usw.) hin zur Kombination von Licht und Hitze. Hitze beschleunigt den Prozess und ermöglicht eine noch vollständigere Ausbildung der Molekülverbindungen, was zu verbesserten Materialeigenschaften führt, die mit Licht allein nicht möglich wären.
Anfang 2017 brachte Formlabs das erste Nachhärtegerät auf den Markt, das speziell für Formlabs-Kunstharze entwickelt wurde: den Form Cure V1. Verbesserungen des Form Cure und großformatigen Form Cure L haben die Nachhärtungszeit um das 6-fache beschleunigt.
Der Form Cure und der Form Cure L, die Nachhärtungslösungen von Formlabs für professionelle 3D-Drucker für Desktop und Großformat, wurden dafür entwickelt, Druckteile aus den Kunstharzen von Formlabs schnell und konsistent nachzuhärten. Dank vordefinierter Zeit- und Temperatureinstellungen für alle Formlabs-Kunstharze bereiten Form Cure und Form Cure L dem blinden Herumprobieren bei der Nachhärtung ein Ende und ermöglichen es Nutzern, biokompatible Kunstharze sicher zu drucken, sodass sie die Anforderungen an biokompatible Teile oder Produkte erfüllen. Wenn neue Kunstharze eingeführt werden, muss nur die Firmware des Form Cure L aktualisiert werden, damit die Nachhärtezeiten und -temperaturen für optimale Materialeigenschaften verfügbar sind.
Der Form Cure nutzt eine Lichtquelle mit 405 nm Wellenlänge, die sich im Zuge eines ausgiebigen internen Testprozesses als effektivste Lösung erwiesen hat, um bei Druckteilen von Formlabs-Druckern den besten Zugmodul und optimale Zugfestigkeit zu erreichen. Im Gegensatz dazu wurde mit einer Lichtquelle von 365 nm bei gleicher Dauer und Temperatur nur ein Modul von 67 % des Wertes erreicht, den nachgehärtete Probedrucke bei 405 nm aufwiesen. Je nach Wellenlänge unterscheiden sich die Materialeigenschaften der nachgehärteten Teile deutlich, besonders bei kürzeren Nachhärtezeiten.
Aufgrund seiner Größe ist der Form Cure L zwar für die Nachhärtung großformatiger Teile geeignet, doch er kann ebenso dafür verwendet werden, eine Vielzahl kleiner Teile in Serienproduktion effizient nachzuhärten. So kann ein Dentallabor mit fünf Druckern des Typs Form 4B eventuell das gleichzeitige Aushärten aller Teile nur einen einzigen Form Cure L bewältigen, um Zeit, Platz und Aufwand zu sparen.
Legen Sie los mit dem Nachhärten von SLA-3D-Drucken aus Kunstharz
Mit Aushärteoptionen mit großem und kleinem Fassungsvermögen macht Formlabs den Abschluss Ihres SLA-3D-Drucks einfach. Dank ausgiebiger Tests – sowohl intern als auch von externen Parteien – ist die Skalierung der SLA-Produktion mit dem Form Cure und dem Form Cure L so leicht wie noch nie.
Vorprogrammierte Einstellungen für Formlabs-Materialien erleichtern das Nachhärten von Teilen im Form Cure und Form Cure L. Zusätzlich können eigene Presets gespeichert werden. Um Teile unkompliziert nachzuhärten, bestellen Sie den Form Cure, oder den Form Cure L für große Teile oder Anwendungen mit hohem Durchsatz. Eine umfassende, aktuelle Liste der Nachhärtezeiten und -temperaturen von Kunstharzen finden Sie auf unserer Supportseite:
Lernen Sie den Form Cure und Form Cure L kennen oder kontaktieren Sie den Vertrieb, um weitere Informationen zu erhalten.
