Haben Sie sich jemals gefragt, wie Licht eine Flüssigkeit fast augenblicklich in einen Feststoff verwandeln kann? Lichtempfindliche Harze, die vom 3D-Druck bis hin zu medizinischen Geräten verwendet werden, verändern sich chemisch, wenn sie UV-Licht ausgesetzt werden. Dieser Artikel befasst sich mit ihren Arten und Zusammensetzungen und zeigt, wie Innovationen sie sicherer und effizienter machen. Tauchen Sie ein, um die Wissenschaft hinter diesen faszinierenden Materialien zu verstehen und ihre vielfältigen Anwendungen in verschiedenen Branchen zu entdecken.
Lichtempfindliche Harze sind Harze, die eine chemische Polymerisation oder Vernetzung durchlaufen, wenn sie einer bestimmten Lichtstrahlung ausgesetzt werden, die durch Photoinitiatoren begünstigt wird und die Aushärtung der Monomere oder Oligomerbasis bewirkt. Von den verschiedenen Arten von Lichtstrahlung hat ultraviolette (UV) Strahlung in der Regel die höchste Aktivierungsenergie, die für chemische Polymerisationsreaktionen erforderlich ist.
Daher werden lichtempfindliche Harze in der Regel mit UV-Licht gehärtet und oft als UV-empfindliche Harze, UV-härtbare Harze, schattenlose UV-Klebstoffe, Photoresists usw. bezeichnet. Jedes lichtempfindliche Harzprodukt hat unterschiedliche Bestandteile und reagiert auf bestimmte Wellenlängen, in der Regel zwischen 250 und 400 nm.
Es ist wichtig zu wissen, dass UV-Licht gefährlich sein kann, da es Gewebe und Zellen schädigt, und dass das Ozon, das bei der Reaktion mit der Luft entsteht, auch die Betriebsumgebung beeinträchtigen kann. Daher erforschen Forscher lichtempfindliche Harze, die unter sichtbarem oder blauem Licht aushärten, was zur Veröffentlichung von Erfindungspatenten für blaulichtempfindliche Harze geführt hat.
Lichtempfindliche Harze bestehen in erster Linie aus einem lichtempfindlichen Vorpolymer, einem Photoinitiator (oder Photosensibilisator) und einem Verdünnungsmittel.
Das lichtempfindliche Vorpolymer, das auch als Oligomer bezeichnet wird, ist ein Vorpolymer mit niedrigem Molekulargewicht, das lichtempfindlich ist und in der Regel ein Molekulargewicht zwischen 1000 und 5000 aufweist. Es dient als Basismaterial für lichtempfindliche Harzmaterialien und ist der entscheidende Faktor für deren endgültige Leistung.
Zu den wichtigsten Arten von lichtempfindlichen Vorpolymeren gehören acrylatmodifizierte Epoxidharze, ungesättigte Polyester, Polyurethane und lichthärtende Thiolen-Harzsysteme.
Photoinitiatoren und Photosensibilisatoren fördern beide die Einleitung der Polymerisation während des Aushärtungsprozesses, unterscheiden sich jedoch erheblich. Photoinitiatoren sind an der Reaktion beteiligt, indem sie bei der Absorption von Lichtenergie aktive Spezies wie freie Radikale oder Kationen bilden, die dabei verbraucht werden. Photosensibilisatoren wirken eher wie Katalysatoren, die Energie übertragen, ohne selbst verbraucht zu werden.
Fotoinitiatoren lassen sich anhand ihres Initiierungsmechanismus in drei Kategorien einteilen: radikalische, kationische und hybride (die beide Mechanismen beinhalten). Ein typischer radikalischer Photoinitiator ist 2-Hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanon (CAS-1173), und zu den üblichen kationischen Photoinitiatoren gehören Ferrocenium- und Jodiniumsalze.
Der Mechanismus der Photosensibilisatoren umfasst Energieübertragung, Wasserstoffabstraktion und die Bildung von Komplexen mit Ladungstransfer. Zu den wichtigsten Photosensibilisatoren gehören Benzoin, Michler-Keton, Thioxanthon und Benzophenon-Derivate.
Reaktivverdünner beziehen sich in erster Linie auf Epoxidverbindungen mit niedrigem Molekulargewicht, die Epoxidgruppen enthalten, die an der Aushärtungsreaktion von Epoxidharzen teilnehmen können und Teil der vernetzten Netzwerkstruktur des ausgehärteten Epoxidharzes werden.
Je nach Anzahl der reaktiven funktionellen Gruppen pro Molekül können Reaktivverdünner in monofunktionelle, difunktionelle und polyfunktionelle Verdünner eingeteilt werden.
Beispiele sind monofunktionelle Verdünnungsmittel wie Styrol (St), N-Vinylpyrrolidon (NVP), Vinylacetat (VA), Butylacrylat (BA), 2-Ethylhexylacrylat (EHA) und Hydroxyethyl(meth)acrylat (HEA, HEMA, HPA); bifunktionelle Verdünnungsmittel wie 1,6-Hexandioldiacrylat (HDDA), Tripropylenglykoldiacrylat (TPGDA) und Neopentylglykoldiacrylat (NPGDA); und das polyfunktionelle Verdünnungsmittel Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA), unter anderem.
Im Allgemeinen gilt: Je höher die Anzahl der funktionellen Gruppen in einem Verdünnungsmittel, desto schneller die Photopolymerisationsgeschwindigkeit, desto höher der Vernetzungsgrad, desto besser die Härte und Verschleißfestigkeit, aber desto größer die Schrumpfungsrate. Zu den funktionellen Gruppen gehören hauptsächlich Acryloyloxy, Methacryloyloxy, Vinyl und Allyl, wobei die Reaktivität bei der Photopolymerisation in der folgenden Reihenfolge abnimmt: Acryloyloxy > Methacryloyloxy > Vinyl > Allyl.
Die durch die Bestrahlung erzeugte Aktivierungsenergie kann dazu führen, dass die C=C-Bindungen in den lichtempfindlichen Präpolymeren (Monomeren oder Oligomeren) aufbrechen und funktionelle Gruppen bilden. Gleichzeitig kann sie die Radikale in den Fotoinitiatoren zu chemischen Polymerisations- oder Vernetzungsreaktionen mit den oben genannten funktionellen Gruppen veranlassen.
Infolgedessen werden die kleinen Molekülketten der Harzmatrix zu größeren Molekülketten oder sogar zu dreidimensional vernetzten Molekülketten verwoben, wie in Abbildung 4-63 dargestellt. Das Harz geht somit von einem flüssigen in einen festen Zustand über. Es ist anzumerken, dass Sauerstoff die oben genannten Polymerisations- oder Vernetzungsreaktionen in den meisten lichtempfindlichen Harzmatrizen generell behindert.
Das CLIP-Verfahren macht sich diese Eigenschaft zunutze, um zu verhindern, dass das Harz an der Wanne aushärtet.
Lichtempfindliche Harze können auf der Grundlage verschiedener Kategorisierungsmethoden in verschiedene Typen eingeteilt werden.
Je nach verwendetem Lösungsmittel können lichtempfindliche Harze in lösungsmittelbasierte und wasserbasierte Kategorien unterteilt werden. Lichtempfindliche Harze auf Lösungsmittelbasis sind hydrophob und können nur in organischen Lösungsmitteln, nicht aber in Wasser aufgelöst werden.
Zu den gängigen lichtempfindlichen Harzen auf Lösungsmittelbasis gehören UV-Polyetheracrylate. Lichtempfindliche Harze auf Wasserbasis sind hydrophil und können in Wasser zersetzt oder dispergiert werden. Diese Harze enthalten eine bestimmte Anzahl von hydrophilen Gruppen und ungesättigten Gruppen, die lichtempfindliche Harze auf Wasserbasis hydrophil machen, wie z. B. Polyurethan-Acrylate auf Wasserbasis.
Transparentes Photopolymer-Harz: Dieses Harz ist von Natur aus transparent und kann zu einer halbtransparenten oder vollständig transparenten Oberfläche poliert werden. Es wird in erster Linie für die visuelle und strukturelle Überprüfung verschiedener Produkte verwendet und ermöglicht sehr detaillierte und kosteneffiziente Oberflächenbehandlungen.
Festfarbiges Photopolymer-Harz: Die natürliche Farbe des Harzes ist fest, und seine Oberfläche kann poliert, lackiert oder galvanisiert werden. Es wird hauptsächlich für die strukturelle Überprüfung von Produkten verwendet und ermöglicht extrem feine Oberflächengüten bei höchster Kosteneffizienz.
Hochtemperatur-Photopolymer-Harz: Die natürliche Farbe des Harzes ist solide und wird hauptsächlich für Produkte verwendet, die ein gewisses Maß an Hochtemperaturbeständigkeit erfordern. Es kann Temperaturen von bis zu 100-110 °C standhalten, was etwas höher ist als bei Standard-Photopolymeren.
Photopolymer-Harz mit hoher Zähigkeit: Dieses typischerweise gelb-grüne Harz hat eine etwas höhere Zähigkeit als Standard-Photopolymere und lässt sich leicht biegen.
Im Bereich der Desktop-3D-Drucker dominieren derzeit FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) in Bezug auf Preis und Vielseitigkeit und erfreuen sich sowohl im Inland als auch international großer Beliebtheit.
Wenn jedoch eine höhere Präzision und bessere Oberflächendetails erforderlich sind, sind kostengünstige Stereolithographie- (SLA) und Digital Light Processing- (DLP) 3D-Drucker eindeutig im Vorteil. Die zunehmende Verfügbarkeit von erschwinglichen SLA- und DLP-3D-Druckern hat die Entwicklung der Photopolymer-Materialtechnologie vorangetrieben.
Allzweck-Harz: Ursprünglich verkauften die Hersteller von 3D-Druckharzen ihre eigenen Materialien, doch mit der wachsenden Nachfrage auf dem Markt entstanden zahlreiche Harzhersteller, darunter MadeSolid, MakerJuice und Spot-A. Anfänglich waren die Desktop-Harze in Bezug auf Farbe und Leistung begrenzt, da die Materialien in der Regel nur in gelb und transparent erhältlich waren.
Neuere Entwicklungen haben die Farboptionen auf Orange, Grün, Rot, Gelb, Blau, Weiß und mehr erweitert.
Hartes Harz: Photopolymerharze, die in Desktop-3D-Druckern verwendet werden, sind in der Regel zerbrechlich und neigen dazu, zu brechen und zu splittern. Um diese Probleme zu lösen, haben viele Unternehmen begonnen, robustere und haltbarere Harze herzustellen.
So hat Formlabs beispielsweise ein neues Tough Resin-Material eingeführt, das ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit und Dehnung bietet und 3D-gedruckten Prototypen eine höhere Schlagfestigkeit und Festigkeit verleiht. Dies ist besonders nützlich für Prototypen von Präzisionskomponenten oder Schnappverbindungen.
Gießbare Harze für den Feinguss: Herkömmliche Feingussverfahren können komplex und langwierig sein, und Formzwänge schränken oft die Designfreiheit ein. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu 3D-gedruckten Wachsmodellen, die keinen Formenbau für die Wachsmodelle erfordern.
Gießbare Harze weisen eine geringe Ausdehnung auf und erfordern ein vollständiges Ausbrennen des Polymers während des Gießvorgangs, um eine einwandfreie Form des Endprodukts zu erhalten, da jegliche Kunststoffreste Defekte und Verformungen im Guss verursachen können. Gerätehersteller wie SprintRay und spezialisierte Materialhersteller wie Fun ToDo bieten solche Harze an.
Das inländische Unternehmen Su-Cheng Technology hat ebenfalls CA-Harz für den Feinguss auf den Markt gebracht. Abbildung 4-64 zeigt einige Feingussmodelle, die mit dieser Art von Harz hergestellt wurden.
Flexible Harze: Zu den Herstellern von flexiblen Harzen gehören Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon und Su-Cheng Technology. Diese Harze haben eine mittlere Härte und sind verschleißfest und können wiederholt gedehnt werden. Dieses Material wird für Teile wie Scharniere, Reibvorrichtungen und Komponenten verwendet, die wiederholt gedehnt werden müssen. Abbildung 4-65 zeigt Modelle aus flexiblem Harz.
Elastisches Harz ist ein Material, das unter hochfester Extrusion und wiederholter Spannung eine ausgezeichnete Elastizität aufweist. Das flexible Harz von Formlabs ist ein sehr weiches, gummiartiges Material, das bei dünneren Schichten recht biegsam und bei dickeren Schichten hochelastisch und stoßfest wird. Seine Anwendungsmöglichkeiten sind grenzenlos.
Dieses neuartige Material ist in der Lage, die Herstellung von perfekten Scharnieren, Dämpfern, Kontaktflächen usw. zu revolutionieren und denjenigen entgegenzukommen, die phantasievolle Ideen und Designs haben. Abbildung 4-66 zeigt ein Modell aus elastischem Harz.
Hochtemperaturharze sind zweifellos ein Schwerpunkt der Forschung und Entwicklung vieler Harzhersteller. Dies liegt daran, dass die Alterungsproblematik dieser Kunststoffe seit langem eine Herausforderung bei der Weiterentwicklung von Harzen von Verbraucher- zu Industrieanwendungen darstellt. Cyanatesterharz weist eine Wärmeformbeständigkeit von bis zu 219 °C auf und behält seine gute Festigkeit, Steifigkeit und langfristige thermische Stabilität bei hohen Temperaturen bei.
Es ist ideal für Formen und mechanische Teile in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie. Die aktuelle Herausforderung für Hochtemperatur-Harzwerkstoffe ist das Erreichen einer Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) von bis zu 289°C (552°F). Formlabs hat auch sein neuestes Hochtemperaturmaterial vorgestellt.
Das Dental SG-Material von Formlabs für Desktop-3D-Drucker entspricht den Normen EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 und USP Class VI und gewährleistet Sicherheit und Umweltfreundlichkeit für menschliches Gewebe. Aufgrund der Transluzenz des Harzes kann es in chirurgischen Materialien und als Führung für chirurgische Bohrer verwendet werden. Das Harz wurde zwar für die Dentalindustrie entwickelt, kann aber auch in anderen Bereichen eingesetzt werden, insbesondere im gesamten medizinischen Sektor.
Keramik, die durch die Photopolymerisation von präkeramischen Monomeren unter Verwendung von UV-Licht entsteht, weist eine gleichmäßige Schrumpfung und praktisch keine Porosität auf. Nach dem 3D-Druck kann dieses Harz gesintert werden, um dichte Keramikteile herzustellen. Das mit dieser Technologie hergestellte ultrahochfeste Keramikmaterial kann Temperaturen von über 1700 °C standhalten.
Bei den auf dem Markt vorherrschenden keramischen Photopolymerisationsverfahren wird Keramikpulver durch Hochgeschwindigkeitsrühren gleichmäßig in einer photopolymerisierbaren Lösung dispergiert, wodurch eine Keramikaufschlämmung mit hohem Feststoffgehalt und niedriger Viskosität entsteht.
Dieser Schlamm wird dann direkt Schicht für Schicht in einer Photopolymerisationsformmaschine verfestigt, um den keramischen Grünkörper zu erhalten, der anschließend getrocknet, entbindert und gesintert wird, um die endgültigen Keramikteile zu erhalten.
Tageslichtharz ist eine faszinierende Art von Harz, das im Gegensatz zu den unter UV-Licht gehärteten Harzen unter normalem Tageslicht erstarren kann. Dadurch entfällt die Abhängigkeit von UV-Lichtquellen, so dass eine Flüssigkristallanzeige zum Aushärten verwendet werden kann. Dieses Harz verspricht, die Kosten für den 3D-Druck mit Photopolymerisation erheblich zu senken, und hat vielversprechende Aussichten.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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