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Der Harz-3D-Druck wird für seine Fähigkeit gelobt, Teile mit komplizierten Details und glatten Oberflächen herzustellen. Stereolithographie (SLA) und ihre Schwestertechnologien maskierte Stereolithographie (MSLA/LCD) und digitale Lichtverarbeitung (DLP) wurden zunächst für Ästhetik und Prototyping bevorzugt und bewiesen, dass Harze nicht nur schön anzusehen, sondern auch leistungsstark sind.
Das Grundprinzip dieser drei Technologien besteht darin, flüssiges Harz Schicht für Schicht mit Licht zu verfestigen, ihre Lichtquellen und Projektionsmethoden sind jedoch unterschiedlich. SLA verwendet Laser, um die Form eines Objekts zu verfolgen, was genauer, aber oft langsamer ist, während DLP digitale Projektoren verwendet, um ein einzelnes Bild jeder Schicht aufblitzen zu lassen, was schneller ist, aber möglicherweise etwas an Auflösung einbüßt. Ähnlich wie DLP nutzt LCD den LCD-Bildschirm, um Licht zu blockieren und so ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Auflösung zu ermöglichen.
Viele Harze sind mit allen drei Technologien kompatibel, obwohl einige aufgrund unterschiedlicher Härtungswellenlänge oder Lichtintensität möglicherweise speziell für die eine oder andere formuliert sind.
Aber wie intensiv? Traditionell galt der 3D-Druck mit Harz im Vergleich zum FDM-Druck (Fused Deposition Modeling) als etwas fragil. Jüngste Entwicklungen bei Harzformulierungen haben jedoch den Weg für eine neue Generation robuster und langlebiger Harze geebnet, die in ihrer Festigkeit mit Spezialdrähten mithalten und diese in einigen Fällen sogar übertreffen.
In diesem Artikel wirft BE-CU einen detaillierten Blick auf die Welt der hochfesten Harze und untersucht ihre Eigenschaften, die Faktoren, die ihre Leistung beeinflussen, und die verschiedenen Anwendungen, bei denen ihre Festigkeit wirklich zum Tragen kommt. Egal, ob Sie Ingenieur, Designer, Bastler oder einfach nur neugierig auf die neuesten Fortschritte im 3D-Druck sind, Sie werden von der außergewöhnlichen Stärke und Vielseitigkeit des modernen 3D-Drucks aus Harz begeistert sein.
Die Menge bestimmt die Leistung
Wenn man über die Stärke von 3D-Druckharz spricht, ist es wichtig zu wissen, dass „Stärke“ nicht nur ein Wort ist. Es umfasst mehrere Möglichkeiten, wie ein Material dem Bruch oder der Verformung unter Einwirkung unterschiedlicher Kräfte widersteht. Im Folgenden sind die wichtigsten Festigkeitseigenschaften des Harz-3D-Drucks aufgeführt:
Zugfestigkeit: Dies ist die Fähigkeit des Harzes, einem Bruch standzuhalten. Denken Sie an die Dehnung eines Gummibandes; die Zugfestigkeit gibt an, wie viel Kraft es aushalten kann, bevor es reißt. Je höher die Zugfestigkeit, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Harz beim Ziehen bricht.
Biegefestigkeit: Dies misst die Fähigkeit des Harzes, einer Biegung standzuhalten. Stellen Sie sich ein Kunststofflineal vor, das sich unter Druck verbiegt. Die Biegefestigkeit bezieht sich auf die Kraft, der es standhalten kann, bevor es reißt oder sich dauerhaft verbiegt.
Schlagfestigkeit: Dies gibt uns die Fähigkeit eines Harzes an, einem plötzlichen Schlag oder Schlag standzuhalten, ohne zu reißen. Es ist wie der Unterschied zwischen einer Handyhülle, die nach einem Sturz reißt, und einer, die mehreren Stürzen standhält.
Druckfestigkeit: Gegenteil der Zugfestigkeit. Es misst, wie viel Druckkraft ein Harz aushalten kann, bevor es sich verformt oder zusammenbricht.
Scherfestigkeit: Dies ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, entgegenwirkenden Kräften auf einer ebenen Oberfläche zu widerstehen. Stellen Sie sich vor, Sie schneiden Früchte mit einem Messer; die Scherfestigkeit gibt an, wie viel Kraft zum Schneiden der Früchte erforderlich ist, und einige Früchte sind schwieriger zu schneiden als andere.
Als Nächstes schauen wir uns an, wie verschiedene Arten von Harzen im Vergleich zu FDM-Materialien abschneiden.
Harz und FDM
Der Vergleich von Harz und FDM im Hinblick auf die Festigkeit ist kein einfacher Vergleich zwischen Äpfeln. Die Festigkeit von FDM-Teilen kann je nach Faktoren wie Füllprozentsatz und -muster, Schichthöhe und dem Filament selbst stark variieren. Wir können jedoch anhand der Art des Harzes einige allgemeine Vergleiche anstellen. Diese Harze können Standardharze (nicht für eine bestimmte Anwendung vorgesehen), robust (mit Additiven formuliert) und hochleistungsfähig (mit überlegener Festigkeit, Elastizität, chemischer Beständigkeit usw.) sein.
Zugfestigkeit
Standardharz: in etwa vergleichbar mit PLA (40–50 MPa) und einigen PETG-Mischungen (40–60 MPa).
Robustes Harz: Übertrifft die Leistung von Standard-PLA und PETG, manchmal sogar bis zum oberen Ende der ABS-Festigkeit (bis zu 70 MPa).
Hochleistungsharz: Übersteigt die Zugfestigkeit der meisten gängigen FDM-Filamente deutlich, manche sogar bis zu 90 MPa.
Biegefestigkeit
Standardharz: ähnlich wie PLA (ca. 50–60 MPa).
Robustes Harz: normalerweise viel stärker als PLA und PETG, manchmal sogar stärker als ABS (bis zu 100 MPa).
Hochleistungsharz: Die Biegefestigkeit übertrifft die gewöhnlicher FDM-Filamente bei weitem, manche sogar über 130 MPa.
Schlagfestigkeit
Standardharz: Normalerweise spröder als FDM-Filament, kann aber zwischen den Harzen erheblich variieren.
Robustes Harz: Entwickelt, um Stöße zu absorbieren, wobei es oft die Schlagfestigkeit von robusten PLA-Mischungen oder ABS erreicht oder übertrifft.
Hochleistungsharze: Die Variationen sind vielfältig, wobei bei einigen andere Eigenschaften Vorrang vor der Schlagfestigkeit haben.
Dieser allgemeine Vergleich der Technologien gibt uns einen umfassenderen Einblick in die Vorteile verschiedener Prozesse und Materialien. Anschließend werfen wir einen genaueren Blick auf die anderen Faktoren, die den Harzdruck beeinflussen.
nicht nur Materialien
Die Festigkeit eines 3D-gedruckten Teils wird nicht nur durch das verwendete Harz bestimmt. Auch andere Faktoren können einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit eines Bauteils haben.
Stresskonzentration
Obwohl das Harz in allen Richtungen gleich ist, kann die Form des Teils an scharfen Ecken oder Kanten zu Spannungspunkten führen. Diese Belastungspunkte können Schwachstellen sein, und die Art und Weise, wie die Komponenten platziert werden, wirkt sich darauf aus, wie diese Schwachstellen mit den ausgeübten Kräften zusammenhängen.
Stützstruktur
Stützstrukturen sind für den erfolgreichen Druck mit Harz unerlässlich, können jedoch im endgültigen Druck zu Spannungspunkten und potenziellen Schwachstellen führen. Die Art und Weise, wie die Teile während des Drucks positioniert werden, wirkt sich auf die Position und Anzahl der erforderlichen Stützen aus und wirkt sich dadurch indirekt auf die Gesamtfestigkeit des gedruckten Objekts aus.
Nachbearbeitung
Die Nachbearbeitung ist ein wichtiger Schritt beim Harz-3D-Druck und beeinflusst die endgültige Festigkeit und Funktionalität des Teils. Durch die richtige Nachbearbeitung erhalten Ihre Drucke optimale mechanische Eigenschaften und sehen gleichzeitig großartig aus.
Stützen entfernen
Der erste Schritt besteht darin, die Stützen zu entfernen. Diese temporären Strukturen werden zur Unterstützung von Überhängen und komplexen Formen während des Druckvorgangs benötigt, müssen aber nach dem Druck sorgfältig entfernt werden. Sie können sie mit einem Werkzeug wie einer Flachzange oder einer Zange vorsichtig auseinanderhebeln. Wenn Stützen unsachgemäß entfernt werden, können Spannungspunkte oder kleine Risse in der Oberfläche zurückbleiben, die die Struktur schwächen. Um eine optimale Festigkeit zu erzielen, entfernen Sie die Stützen nach dem Aushärten, da ausgehärtete Drucke steifer sind und bei diesem Schritt weniger anfällig für Beschädigungen sind.
Waschen
Der nächste Schritt ist die Reinigung. Dies bedeutet, dass der Druck gereinigt werden muss, um jegliches ungehärtete (flüssige) Harz auf der Oberfläche oder in den inneren Hohlräumen zu entfernen. Abhängig von der Art des Harzes gibt es unterschiedliche Überlegungen. Isopropylalkohol (IPA) wird üblicherweise zur Reinigung verwendet, aber Tripropylenglykolmonomethylether (TPM) wird als sicherere Alternative immer beliebter. Unabhängig davon, ob Sie Ihren Druck in ein Lösungsmittelbad tauchen, eine Sprühflasche oder eine spezielle Reinigungsstation verwenden, besteht das Ziel darin, nicht ausgehärtetes Harz zu entfernen. Durch die Reinigung wird die Klebrigkeit der Oberfläche verhindert und die mechanischen Eigenschaften Ihrer Drucke verbessert.
verfestigen
Der letzte Schritt ist das Aushärten. Dabei wird der Druck UV-Licht ausgesetzt, wodurch eine chemische Reaktion namens Vernetzung ausgelöst wird. Durch diese Reaktion werden die Polymerketten im Harz miteinander verbunden, wodurch das Material verfestigt und seine Festigkeit erhöht wird. Eine ordnungsgemäße Aushärtung ist wichtig, um die volle Festigkeit, Härte und andere Eigenschaften des Harzes zu erreichen. Hierzu werden häufig UV-Lampen und spezielle Harzhärtungsstationen eingesetzt.
Verschiedene Harze erfordern möglicherweise bestimmte Wellenlängen des UV-Lichts. Daher ist es wichtig, eine Lampe zu verwenden, die das richtige Spektrum ausstrahlt. Die Aushärtezeit variiert je nach Harztyp, Lichtintensität und Druckdicke. Eine ordnungsgemäße Aushärtung ist von entscheidender Bedeutung; eine unzureichende Aushärtung kann das Harz weich und spröde machen, während eine übermäßige Aushärtung das Harz spröde machen kann.
Designüberlegungen
Hier sind einige wichtige Dinge zu beachten:
Wandstärke
Je dicker die Wand, desto stärker ist das Teil, denn je dicker die Wand, desto widerstandsfähiger ist das Material gegen Bruch und Verformung. Allerdings gilt: Je dicker die Wand, desto länger die Druckzeit und desto mehr Material wird verbraucht. Für die meisten Kunstharzdrucke wird eine Wandstärke von mindestens 1–2 mm empfohlen, um sicherzustellen, dass das Teil stabil ist und gleichzeitig Materialverbrauch und Druckzeit in Einklang gebracht werden.
Geometrie
Scharfe Ecken und Kanten erzeugen Spannungspunkte, die Teile anfälliger für Brüche machen. Durch die Verwendung von Verrundungen (abgerundeten Ecken) wird die Spannung gleichmäßiger verteilt und die Festigkeit des Teils erhöht. Stellen Sie bei nicht unterstützten Wänden sicher, dass die Dicke mindestens 1 mm beträgt, und verwenden Sie eine abgerundete Basis, um die Belastung an den Verbindungen zu verringern und ein Verziehen oder Herunterfallen während des Druckens zu verhindern.
Löcher und Entwässerungslöcher
Wenn Sie einen Harzdruck hohl machen, können Sie Material sparen und das Gewicht reduzieren. Es müssen jedoch Drainagelöcher vorhanden sein, um zu verhindern, dass ungehärtetes Harz im Inneren eingeschlossen wird. Eingeschlossenes Harz kann zu einem Druckungleichgewicht führen, das zu Rissen oder Ausfällen führen kann. Die Wandstärke von Hohldrucken sollte mindestens 2 mm betragen, um die Stabilität zu gewährleisten.
Anwendung
Die überlegene Festigkeit moderner Harze ist nicht nur theoretisch; sie eröffnet aufregende neue Möglichkeiten in einer Vielzahl von Bereichen. Hier sind einige Beispiele aus der Praxis, wie starke Harze 3D-Druckanwendungen verändern können:
funktionsfähiger Prototyp
Robustes Harz eignet sich für die Herstellung funktionaler Prototypen und ermöglicht es Ingenieuren und Designern, Teile zu erstellen, die Tests in der Praxis standhalten. Beispielsweise verwendet die Automobilindustrie Harze wie Formlabs Tough 2000 Resin, um komplexe Einrastmechanismen, Scharniere und andere Funktionsteile in 3D zu drucken. Diese Prototypen halten wiederholtem Gebrauch, Belastungen und Stößen stand und können wertvolles Feedback zu Entwürfen liefern, bevor teure Werkzeuge für die Massenproduktion eingesetzt werden.
Endverbrauchsteile
Einige Harze sind mittlerweile stark genug, um nicht nur Prototypen, sondern auch Endverbrauchsteile herzustellen. Beispielsweise werden in der Fertigung Vorrichtungen und Vorrichtungen (Werkzeuge zum Halten und Positionieren von Werkstücken während der Montage oder Bearbeitung) mit widerstandsfähigen Harzen in 3D gedruckt. Diese gedruckten Werkzeuge halten dem täglichen Verschleiß stand und bieten eine kostengünstige und anpassbare Alternative zu herkömmlichen Herstellungsmethoden.
kreative Anwendungen
Die Stärke von Harz eröffnet Künstlern und Bastlern gleichermaßen neue Möglichkeiten. Beispielsweise können Designer von Harzschmuck jetzt komplizierte und filigrane Stücke herstellen, bei denen die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass sie brechen. Aufgrund der erhöhten Festigkeit des zähen Harzes können jetzt zuverlässig filigrane Muster, dünne Wände und komplexe Formen hergestellt werden, die früher für das Harz zu zerbrechlich waren. Darüber hinaus verfügt der 3D-Harzdruck über eine glatte Oberfläche und eine Vielzahl von Farben, was schöne und langlebige künstlerische Kreationen ermöglicht. Atemberaubende Miniaturen steigern das Spielerlebnis.
