Heb je je ooit afgevraagd hoe licht vloeistof bijna onmiddellijk in vaste stof kan veranderen? Fotogevoelige harsen, die in van alles worden gebruikt, van 3D printen tot medische apparatuur, ondergaan chemische veranderingen wanneer ze worden blootgesteld aan UV-licht. In dit artikel worden de soorten, de samenstelling en hoe ze door innovaties veiliger en efficiënter worden onderzocht. Duik in het artikel om de wetenschap achter deze fascinerende materialen te begrijpen en ontdek hun uitgebreide toepassingen in verschillende industrieën.
Fotogevoelige harsen zijn harsen die chemische polymerisatie of crosslinking ondergaan bij blootstelling aan specifieke lichtstraling, mogelijk gemaakt door fotoinitiatoren, waardoor de monomeren of oligomeren uitharden. Van de verschillende soorten lichtstraling heeft ultraviolette (UV) straling een activeringsenergie die het dichtst in de buurt komt van de energie die nodig is voor chemische polymerisatiereacties.
Daarom worden fotogevoelige harsen gewoonlijk uitgehard met UV-licht en worden ze vaak UV-gevoelige harsen, UV-uithardende harsen, schaduwloze UV-lijmen, fotoresisten, enz. genoemd. Elk lichtgevoelig harsproduct heeft verschillende componenten en reageert op specifieke golflengten, meestal tussen 250-400 nm.
Het is belangrijk om op te merken dat UV-licht gevaarlijk kan zijn en weefsels en cellen kan beschadigen. Daarom onderzoeken onderzoekers fotogevoelige harsen die uitharden onder zichtbaar licht of blauw licht, wat heeft geleid tot de publicatie van uitvindingsoctrooien voor blauw lichtgevoelige harsen.
Fotogevoelige harsen bestaan voornamelijk uit een fotogevoelig prepolymeer, een fotoinitiator (of fotosensibilisator) en een verdunningsmiddel.
Het lichtgevoelige prepolymeer, ook bekend als een oligomeer, is een prepolymeer met een laag moleculair gewicht dat fotohardend is, met een moleculair gewicht dat meestal tussen 1000-5000 ligt. Het dient als basismateriaal voor fotogevoelige harsmaterialen en is de beslissende factor voor hun uiteindelijke prestaties.
De belangrijkste soorten fotogevoelige pre-polymeren zijn acrylaat-gemodificeerde epoxyharsen, onverzadigde polyesters, polyurethanen en thiol-ene fotohardende harssystemen.
Fotoinitiatoren en fotosensibilisatoren bevorderen beide de initiatie van polymerisatie tijdens het uithardingsproces, maar ze verschillen aanzienlijk. Fotoinitiatoren nemen deel aan de reactie door actieve stoffen zoals vrije radicalen of kationen te creëren bij het absorberen van lichtenergie en worden tijdens het proces verbruikt. Fotosensibilisatoren gedragen zich meer als katalysatoren, waarbij energie wordt overgedragen zonder te worden verbruikt.
Fotoinitiatoren kunnen worden ingedeeld in drie categorieën op basis van hun initiatiemechanisme: vrije radicale type, kationische type en hybride type (waarin beide mechanismen zijn opgenomen). Een typische vrije radicale fotoinitiator is 2-hydroxy-2-methyl-1-fenyl-1-propanon (CAS-1173) en veel voorkomende kationische fotoinitiatoren zijn ferrocenium- en jodiniumzouten.
Het mechanisme van fotosensibilisatoren omvat energieoverdracht, waterstofonttrekking en complexvorming door ladingsoverdracht. Belangrijke fotosensibilisatoren zijn onder andere benzoë, Michlers keton, thioxanthone en benzofenonderivaten.
Reactieve verdunningsmiddelen verwijzen voornamelijk naar epoxyverbindingen met een laag moleculair gewicht die epoxygroepen bevatten die kunnen deelnemen aan de uithardingsreactie van epoxyharsen, waardoor ze deel gaan uitmaken van de vernette netwerkstructuur van de uitgeharde epoxy.
Op basis van het aantal reactieve functionele groepen per molecuul kunnen reactieve verdunningsmiddelen worden ingedeeld in monofunctionele, difunctionele en polyfunctionele verdunningsmiddelen.
Voorbeelden zijn monofunctionele verdunningsmiddelen zoals styreen (St), N-vinylpyrrolidon (NVP), vinylacetaat (VA), butylacrylaat (BA), 2-ethylhexylacrylaat (EHA) en hydroxyethyl(meth)acrylaat (HEA, HEMA, HPA); difunctionele verdunningsmiddelen zoals 1,6-hexaandioldiacrylaat (HDDA), tripropyleenglycoldiacrylaat (TPGDA) en neopentylglycoldiacrylaat (NPGDA) en onder andere het polyfunctionele verdunningsmiddel trimethylolpropaan-triacrylaat (TMPTA).
In het algemeen geldt: hoe hoger het aantal functionele groepen in een verdunningsmiddel, hoe sneller de fotopolymerisatiesnelheid, hoe hoger de mate van verknoping, hoe beter de hardheid en slijtvastheid, maar hoe groter de krimpsnelheid. De soorten functionele groepen omvatten voornamelijk acryloyloxy, methacryloyloxy, vinyl en allyl, waarbij de reactiviteit bij fotopolymerisatie afneemt in de volgorde: acryloyloxy > methacryloyloxy > vinyl > allyl.
De activeringsenergie die wordt opgewekt door bestraling kan ervoor zorgen dat de C=C bindingen in de fotogevoelige prepolymeren (monomeren of oligomeren) breken, waardoor functionele groepen worden gevormd. Tegelijkertijd kan het de radicalen in de fotoinitiatoren aanzetten tot chemische polymerisatie of verknopingsreacties met de eerder genoemde functionele groepen.
Hierdoor worden de kleine moleculaire ketens van de harsmatrix verweven tot grotere moleculaire ketens of zelfs driedimensionale genetwerkte moleculaire ketens, zoals geïllustreerd in Figuur 4-63. De hars gaat dus over van een vloeibare naar een vaste toestand. Opgemerkt moet worden dat zuurstof over het algemeen de bovengenoemde polymerisatie- of verknopingsreacties in de meeste fotogevoelige harsmatrices belemmert.
Het CLIP-proces maakt effectief gebruik van deze eigenschap om te voorkomen dat de hars tegen de kuip uithardt.
Fotogevoelige harsen kunnen worden ingedeeld in verschillende types op basis van verschillende categorisatiemethoden.
Op basis van het gebruikte oplosmiddel kunnen fotogevoelige harsen worden onderverdeeld in categorieën op basis van oplosmiddelen en op basis van water. Fotogevoelige harsen op basis van oplosmiddelen zijn hydrofoob en kunnen alleen worden opgelost in organische oplosmiddelen, niet in water.
Veel voorkomende fotogevoelige harsen op basis van oplosmiddelen zijn UV-polyetheracrylaten. Fotogevoelige harsen op waterbasis zijn hydrofiel en kunnen worden afgebroken of gedispergeerd in water. Deze harsen bevatten een bepaald aantal hydrofiele groepen en onverzadigde groepen, waardoor fotogevoelige harsen op waterbasis hydrofiel zijn, zoals polyurethaanacrylaten op waterbasis.
Transparante fotopolymeerhars: Deze hars is van nature transparant en kan worden gepolijst tot een semi-transparante of volledig transparante afwerking. Het wordt voornamelijk gebruikt voor visuele en structurele verificatie van verschillende producten, waardoor zeer gedetailleerde en kosteneffectieve oppervlakteafwerkingen mogelijk zijn.
Fotopolymeerhars in vaste kleur: De natuurlijke kleur van de hars is vast en het oppervlak kan gepolijst, geverfd of gegalvaniseerd worden. Het wordt voornamelijk gebruikt voor structurele verificatie van producten, waardoor extreem fijne oppervlakteafwerkingen mogelijk zijn tegen de hoogste kosteneffectiviteit.
Fotopolymeerhars voor hoge temperaturen: De natuurlijke kleur van de hars is vast en wordt voornamelijk gebruikt voor producten die een bepaalde weerstand tegen hoge temperaturen vereisen. Het is bestand tegen temperaturen tot 100-110°C, iets hoger dan standaard fotopolymeren.
Fotopolymeerhars met hoge taaiheid: Deze hars is meestal geelgroen van kleur en heeft een iets hogere taaiheid dan standaard fotopolymeren, waardoor hij licht kan worden gebogen.
Op het gebied van desktop 3D-printers domineren FDM-printers (Fused Deposition Modeling) momenteel in termen van prijs en veelzijdigheid en ze winnen zowel nationaal als internationaal aan populariteit.
Wanneer echter een hogere precisie en betere oppervlaktedetails vereist zijn, hebben goedkope Stereolithografie (SLA) en Digitale Lichtverwerking (DLP) 3D printers een duidelijk voordeel. De toenemende beschikbaarheid van betaalbare SLA en DLP 3D printers heeft de ontwikkeling van fotopolymeer materiaaltechnologie gestimuleerd.
Hars voor algemeen gebruik: Aanvankelijk verkochten 3D printing harsfabrikanten hun eigen materialen, maar toen de marktvraag groeide, kwamen er verschillende harsfabrikanten op, waaronder MadeSolid, MakerJuice en Spot-A. Aanvankelijk waren desktopharsen beperkt in kleur en prestaties, met materialen die meestal alleen beschikbaar waren in geel en transparant.
Recente ontwikkelingen hebben de kleuropties uitgebreid met oranje, groen, rood, geel, blauw, wit en meer.
Stijve hars: Fotopolymeerharsen die worden gebruikt in desktop 3D printers zijn vaak breekbaar en kunnen breken en barsten. Om deze problemen aan te pakken, zijn veel bedrijven begonnen met de productie van robuustere en duurzamere harsen.
Formlabs introduceerde bijvoorbeeld een nieuw Tough Resin materiaal dat een balans vindt tussen sterkte en rek, waardoor 3D geprinte prototypes een betere schokbestendigheid en sterkte hebben. Dit is vooral handig voor prototypes van precisiecomponenten of snap-fit connectoren.
Gietbare hars voor verlorenwasgieten: Traditionele processen voor verlorenwasgieten kunnen complex en tijdrovend zijn en de vrijheid van ontwerp wordt vaak beperkt door de beperkingen van de mal. Dit is vooral waar in vergelijking met 3D geprinte waspatronen, waarvoor geen mallen gemaakt hoeven te worden voor de wasmodellen.
Gietbare harsen hebben een lage uitzettingscoëfficiënt en vereisen een volledige polymeer burn-out tijdens het gietproces om een onberispelijke vorm van het eindproduct achter te laten, omdat plastic resten defecten en vervorming in het gietstuk kunnen veroorzaken. Fabrikanten van apparatuur zoals SprintRay en gespecialiseerde materiaalproducenten zoals Fun ToDo bieden dergelijke harsen aan.
Het binnenlandse bedrijf Su-Cheng Technology heeft ook CA hars voor verlorenwasgieten op de markt gebracht. Afbeelding 4-64 toont enkele modellen van verlorenwasgieten gemaakt met dit type hars.
Flexibele hars: Fabrikanten van flexibele harsen zijn onder andere Formlabs, FSL3D, Spot-A, Carbon en Su-Cheng Technology. Deze harsen hebben een gemiddelde hardheid en zijn slijtvast en kunnen herhaaldelijk worden uitgerekt. Dit materiaal wordt gebruikt voor onderdelen zoals scharnieren, frictie-elementen en onderdelen die herhaaldelijk moeten worden uitgerekt. Afbeelding 4-65 toont modellen gemaakt van flexibel hars.
Elastische hars is een materiaal dat een uitstekende elasticiteit vertoont bij extrusie met hoge kracht en herhaalde spanning. Flexibele hars van Formlabs is een zeer zacht rubberachtig materiaal dat zeer buigzaam wordt als het met dunnere lagen wordt bedrukt en zeer elastisch en slagvast als het met dikkere lagen wordt bedrukt. De potentiële toepassingen zijn grenzeloos.
Dit nieuwe materiaal staat op het punt om een revolutie teweeg te brengen in de productie van perfecte scharnieren, dempers, contactoppervlakken enzovoort. Figuur 4-66 toont een model gemaakt van elastische hars.
Hogetemperatuurhars is ongetwijfeld een belangrijk punt van onderzoek en ontwikkeling voor veel harsfabrikanten. Dit komt omdat het verouderingsprobleem van deze kunststoffen lang een uitdaging is geweest bij de ontwikkeling van hars van consumenten- naar industriële toepassingen. Cyanaatesterhars heeft een warmteafbuigingstemperatuur tot 219°C en behoudt een goede sterkte, stijfheid en thermische stabiliteit op lange termijn bij hoge temperaturen.
Het is ideaal voor matrijzen en mechanische onderdelen in de auto- en luchtvaartindustrie. De huidige uitdaging voor harsmaterialen voor hoge temperaturen is het bereiken van een warmteafbuigingstemperatuur (HDT) tot 289°C (552°F). Formlabs heeft ook zijn nieuwste hogetemperatuurmateriaal geïntroduceerd.
Formlabs' Dental SG materiaal voor desktop 3D printers voldoet aan EN-ISO10993-1:2009/AC:2010 en USP Class VI normen, waardoor veiligheid en milieuvriendelijkheid voor menselijk weefsel gegarandeerd zijn. Door de doorschijnendheid van de hars kan het worden gebruikt in chirurgische materialen en als geleider voor chirurgische boren. Hoewel deze hars is ontworpen voor de tandheelkundige industrie, kan hij ook op andere gebieden worden gebruikt, met name in de medische sector.
Keramiek dat wordt gemaakt door fotopolymerisatie van prekeramische monomeren met UV-licht vertoont een gelijkmatige krimp en vrijwel geen porositeit. Na het 3D printen kan deze hars gesinterd worden om dichte keramische onderdelen te maken. Het ultrasterke keramische materiaal dat met deze technologie wordt geproduceerd, is bestand tegen temperaturen van meer dan 1700°C.
Bij de gangbare keramische fotopolymerisatietechnieken op de markt wordt keramisch poeder gelijkmatig gedispergeerd in een fotopolymeriseerbare oplossing door roeren met hoge snelheid, waardoor een keramische slurry met een hoog vastestofgehalte en lage viscositeit ontstaat.
Deze slurry wordt dan direct laag voor laag gestold op een fotopolymerisatie spuitgietmachine om het keramische groene lichaam op te bouwen, dat vervolgens gedroogd, ontbonden en gesinterd wordt om de uiteindelijke keramische onderdelen te verkrijgen.
Daglichthars is een fascinerend type hars dat, in tegenstelling tot hars die uithardt onder UV-licht, kan stollen bij normaal daglicht. Hierdoor is het niet langer afhankelijk van UV-lichtbronnen, waardoor een vloeibaar-kristalscherm kan worden gebruikt voor het uitharden. Deze hars belooft de kosten van fotopolymerisatie 3D printen aanzienlijk te verlagen en heeft veelbelovende vooruitzichten.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO