Auf dem Markt sind viele Harzmaterialien erhältlich, alle mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und Preisen. Im Gegensatz zu FDM, wo Polymerfilamente aus einem bekannten Material mit bestimmten mechanischen Eigenschaften verwendet werden, SLA, DLP und LCD-3D-Drucker verwenden Harz, dessen mechanische Eigenschaften durch die chemische Zusammensetzung des Harzes bestimmt werden. Aufgrund der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung des Harzes sind die mechanischen Eigenschaften (Materialeigenschaften) sehr wichtig und helfen dabei, verschiedene Harze zu vergleichen. Mechanische Eigenschaften können dabei helfen, das richtige Harz für Ihre Anwendung auszuwählen. In vielen Fällen stellt ein Lieferant von 3D-Druckharzen einen Satz mechanischer Eigenschaften für jedes Material bereit. Was bedeuten diese mechanischen Eigenschaften und in welcher Beziehung stehen sie zu Ihrer Anwendung? Dieser Artikel gibt einen Einblick in die Bedeutung mechanischer Eigenschaften und beantwortet Fragen zu den Eigenschaften von 3D-gedruckten Harzteilen.
Um die Bedeutung der mechanischen Eigenschaften zu erläutern, sei am Beispiel der technischen Daten (aus der TDS) von Liqcreate Strong-X wird diskutiert. Die folgende Tabelle zeigt die technischen Daten von Liqcreate Strong-X:
Flüssigkeitseigenschaften von 3D-Druckharz
Der erste Teil der technischen Daten eines Materials sagt mehr über die Flüssigkeitseigenschaften aus. Das Aussehen gibt mehr Aufschluss über die Farbe und den physikalischen Zustand des Materials. Bei Harzen sollte der Aggregatzustand immer flüssig sein.
Was sind die Ec- und Dp-Werte für 3D-gedrucktes Harz?
Alle Liqcreate Harze sind UV-härtbare 3D-Druckharze, was bedeutet, dass sie eine bestimmte Reaktivität gegenüber Licht aufweisen. Diese Reaktivität bestimmt, wie sich das Harz im Drucker verhält. Spezifische Parameter für seine Reaktivität sind die kritische Energie (Ec) und die Eindringtiefe (Dp), zwei Werte, die für alle Liqcreate Harz in ihrem entsprechenden technischen Datenblatt. Diese beiden Eigenschaften sind empirisch ermittelte Werte, die auf Messungen mit einem 3D-Drucker basieren. Diese Eigenschaften sind wellenlängenabhängig!
Die Lichtreaktivität wird gemessen, indem das Harz unterschiedlichen Energiedosen ausgesetzt wird (Belichtung). In den meisten Fällen wird dies durch eine Erhöhung der Belichtungszeit im 3D-Drucker gesteuert. Anschließend wird die Schichtdicke des ausgehärteten Harzes gemessen und im Verhältnis zur entsprechenden Energiezufuhr aufgetragen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Da das Harz das Licht absorbiert und einen Teil der Energie zum Starten der Polymerisationsreaktion verwendet, ist die Aushärtungstiefe immer endlich, was zu einer logarithmischen Korrelation zwischen der Belichtung und der Aushärtungstiefe führt; in der Abbildung oben ist eine typische Kurve dargestellt. [10]
Die Kurve (Arbeitskurve) ist eine visuelle Darstellung der Korrelation zwischen Drucker und Harz und basierend darauf wird eine mathematische Korrelation abgeleitet, wie in Formel 1 mit:
Cd = Durchhärtungstiefe [mm] (Schichtdicke)
Dp = Eindringtiefe [mm] (Steigung von Cd vs. LogExp)
Ec = Kritische Energie [J/mm2] (die minimale Energiemenge, die erforderlich ist, um eine feste Schicht zu bilden)
Cd = Dp • In(Exp) + Ec
Und wobei Exp = Belichtung [J/m2], die eine Funktion der Belichtungszeit ist, berechnet wie in Formel 2 gezeigt, mit:
t = Zeit [s] (Beleuchtungszeit)
Irr = Bestrahlungsstärke [W/m2] (Leistung der Lichtquelle)
Exp = t • Irr
Soweit der technische Teil zu den Aushärtungseigenschaften, aber wie beschreiben diese Parameter das Verhalten von Harzen in einem 3D-Drucker aus praktischer Sicht?
Die Eindringtiefe (Dp) zeigt die Empfindlichkeit eines Materials gegenüber Änderungen der Lichtleistung. Das bedeutet, dass ein Material mit einem niedrigeren Dp eine bessere Leistung bei Schwankungen der Belichtungszeit/Lichtquellenleistung aufweist, während ein Material mit einem höheren Dp eher ein schnelleres Druckmaterial ist, aber auch anfälliger für Fehler bei Abweichungen in der Lichtleistung. Während es scheint, dass schnellere Druckharze vorzuziehen sind, ist ein weniger empfindliches Harz in der Praxis nützlicher, da die Wahrscheinlichkeit von Änderungen der Lichtleistung aufgrund unzureichender Reinigung und Verschlechterung der Lichtquelle hoch ist, insbesondere für DLP Einheiten ohne automatische Kalibrierung.
Die kritische Energie (Ec) ist ein Wert für die minimale Energiemenge, die erforderlich ist, um eine feste Schicht zu bilden, und damit die minimale Energiemenge, die für den 3D-Druck erforderlich ist.
Diese Werte stammen aus praktischen Messungen, was bedeutet, dass sie variieren können, wenn die Parameter innerhalb der Messung wie Temperatur und Wellenlänge geändert werden.
Welche anderen Flüssigkeitseigenschaften sind für den 3D-Druck mit Harz wichtig?
Die Viskosität und Dichte des Materials geben Aufschluss über die Flüssigkeit selbst. Eine höhere Viskosität bedeutet ein dickeres Harz. Dies wirkt sich auf den Rückfluss des Harzes und auf die Bewegungen der Plattform aus. Auch das Reinigen eines 3D-gedruckten Harzteils ist mit Harz mit niedrigerer Viskosität einfacher. Wenn Sie das Volumen Ihres 3D-Modells und die Dichte des ausgewählten Materials kennen, können Sie das Gewicht Ihres 3D-gedruckten Modells leicht berechnen.
Polymereigenschaften von 3D-gedruckten Harzteilen
Nachdem Sie die Flüssigkeitseigenschaften berücksichtigt haben, erfahren Sie im nächsten Abschnitt mehr über die mechanischen Eigenschaften des Polymers. Mechanische Eigenschaften sind Materialeigenschaften, die Aufschluss darüber geben, wie sich Materialien unter bestimmten Arten mechanischer Belastung verhalten. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften können viele verschiedene Belastungsarten angewendet werden. Diese können im Allgemeinen in drei Arten unterteilt werden, die in der Polymerindustrie am häufigsten verwendet werden: Zug-, Druck- und Schlagbelastung.
Zugfestigkeit, Elastizitätsmodul und Dehnung
Mit Zugfestigkeitsprüfungen wird die Leistung eines Materials unter linearer Zugspannung gemessen. Kurz gesagt bedeutet dies, was passiert, wenn Sie am Material ziehen (3D-gedrucktes Harzteil). Der Test wird durchgeführt, indem Spannung auf eine bestimmte Testprobe ausgeübt wird, wie in Abbildung 1 dargestellt. Typischerweise werden hundeknochenförmige Testproben verwendet, bei denen die breiten Teile zum Greifen der Probe verwendet werden und die Kräfte auf den kleineren Teil der Probe ausgeübt werden.
Abbildung 1: Prüfung der mechanischen Eigenschaften in Zugrichtung.[1]
Bei diesem Test wird das Material bis zum Bruch gedehnt und dabei die Kraft gegen die auf die Probe aufgebrachte Dehnung gemessen und in einer Kurve aufgetragen. Eine typische Kurve ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Kurven zeigen das „Verhalten“ der Materialien und werden verwendet, um eine Vielzahl mechanischer Eigenschaften zu bestimmen.
Abbildung 2: Typische Spannungs-Dehnungs-Kurve für Zugversuche mit A: Maß für den Zugmodul; B: Streckgrenze; C: Zugfestigkeit und D: maximale Dehnung vor dem Versagen.[2]
Alle Liqcreate Materialien werden auf diese Weise getestet, um die folgenden mechanischen Eigenschaften zu bestimmen:
- Zugfestigkeit: Die höchste Spannung vor dem Versagen, gemessen wie in Abbildung 2 dargestellt. Typischerweise bedeutet dies, dass Material mit einer höheren Zugfestigkeit mehr Kräften standhalten kann, bevor es bricht.
- Bruchdehnung: Der Betrag, um den das Material gedehnt wird, als Prozentsatz der ursprünglichen Länge. Gemessen an der Gesamtbelastung vor dem Versagen.
- Elastizitätsmodul: Ein Maß für die Steifigkeit eines Materials, ein höherer Modul bedeutet ein steiferes Material. Der Elastizitätsmodul wird gemessen, indem die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung (Steigung) im linearen Teil der Kurve gemessen wird.
Wie hängen zugmechanische Eigenschaften mit Ihrem Projekt zusammen?
Im Hinblick auf den Anwendungsbereich weisen die Zugeigenschaften Eigenschaften für jedes Material auf. Abhängig davon kann eine Auswahl für das am besten geeignete Material getroffen werden. Typischerweise zeigen spröde Materialien eine sehr geringe Dehnung, können aber hohe Belastungen bewältigen, was bedeutet, dass diese Materialien bei Belastung nur eine sehr geringe Verformung zeigen und ihre Form bis zum Bruch beibehalten. Bei weicheren/flexiblen Materialien zeigt sich, dass die Gesamtmenge an Belastung, die sie bewältigen können, geringer ist, da sich diese bei Belastung verformen, aber bei begrenzter Belastung weniger wahrscheinlich brechen. Bei den meisten Materialien ist es ein Kompromiss zwischen Festigkeit/Modul und Dehnung. Daher ist es wichtig zu wissen, welchen Einfluss diese Eigenschaften auf Ihr Projekt haben.
Abbildung 3: Verhalten verschiedener Materialtypen während des Zugversuchs.
Biegefestigkeit und Biegemodul
Biegefestigkeit und Biegemodul werden im Allgemeinen auf denselben Prüfgeräten geprüft wie die Zugeigenschaften. Für diesen Test wird ein 3-Punkt-Biegetest durchgeführt. Eine rechteckige Probe wird auf zwei Befestigungspunkte gesetzt und zwischen diesen Punkten wird eine Last in entgegengesetzter Richtung aufgebracht, eine schematische Ansicht ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4: Schematische Darstellung des 3-Punkt-Biegeversuchs.[3]
Die Verformung der Probe wird gegen die aufgebrachte Kraft gemessen, was zu einer ähnlichen Kurve führt, wie sie beim Zugversuch gefunden wird. Der Hauptunterschied zwischen Biegeprüfung und Zugprüfung besteht darin, dass bei der Zugprüfung eine lineare Spannung aufgebracht wird und bei der Biegeprüfung eine Kombination aus Zug- und Druckkräften aufgebracht wird, was ein unterschiedliches Verhalten der Materialien zeigt. Dies ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 5: Links, typische Biegeversuchskurve; Rechts) Heatmap der aufgebrachten Spannung während eines 3-Punkt-Biegetests, wobei in grün das Material Druckkräften und in rot die Probe Zugkräften ausgesetzt ist.[4]
Dieser Test wird im Allgemeinen verwendet, um zwei mechanische Eigenschaften zu bestimmen:
- Biegefestigkeit: Höchste Kraft, der das Material standhalten kann, bevor es versagt.
- Biegemodul: Ein Maß für die Materialsteifigkeit, betrachtet als Verhältnis zwischen aufgebrachter Kraft und Verformung im elastischen Bereich.
Wie hängen Biegeeigenschaften mit Ihrem Projekt zusammen?
Biegefestigkeit und Biegemodul können wichtige Eigenschaften für die Auswahl eines Materials für Ihr Projekt sein, insbesondere wenn Ihr Projekt ein Material erfordert, das unter Druckkräften gut funktioniert. Materialien mit hoher Festigkeit und hohem Modul wie z Liqcreate Strong-X, mit einer Biegefestigkeit von 135 MPa und einem Biegemodul von 3,25 GPa, funktionieren hervorragend unter Spannung. Der Nachteil dieser Materialien ist oft eine geringere Dehnung und Schlagfestigkeit im Vergleich zu den flexibleren Materialien.
Was bedeutet IZOD-Schlagzähigkeit in Bezug auf 3D-gedruckte Teile?
Die Izod-Schlagzähigkeitsmessung ist ein Verfahren zur Messung der Schlagzähigkeit eines Materials. Bei diesem Test wird eine Schlagkraft auf eine bestimmte gekerbte Probe ausgeübt, wie in Abbildung 5 unten zu sehen, die Größe und Form der Probe wird für verschiedene Arten von Materialien, z. B. Kunststoff, Keramik oder Metall, variiert. Die Schlagkraft wird durch einen Hammer auf ein Pendel aufgebracht, wobei die Schlagkraft durch die Fallhöhe, das Gewicht des Hammers und die Länge des Pendels bestimmt wird.[5] [6]
Abbildung 6: Schematische Darstellung des IZOD Schlagtests.
Beim Izod-Schlagtest ist die vom Hammer aufgebrachte Energiemenge bekannt und die vom Material aufgenommene Kraft wird gemessen. Daher ist die Schlagfestigkeit die am häufigsten verwendete Methode zum Testen der Zähigkeit eines Harzmaterials, da Zähigkeit als die Fähigkeit eines Materials definiert ist, Energie zu absorbieren und sich vor dem Versagen plastisch zu verformen.
Es sind viele Harzmaterialien verfügbar und für Benutzer oft schwer zu erkennen, ob ein Harz für ihr Projekt nützlich ist. Zum Beispiel gibt es Dutzende von „ABS-ähnlichen“ Harzen, aber wenn Sie sich ihre Eigenschaften genau ansehen, passen einige der Eigenschaften wie Dehnung oder Festigkeit zu echtem ABS-Kunststoff. Die wichtigste Eigenschaft, die Schlagzähigkeit, beträgt oft nur 10 % der Schlagzähigkeit von ABS.
Was sind die thermischen Eigenschaften eines 3D-gedruckten Teils?
Um zu bestimmen, wie sich Materialien bei Temperaturänderungen verhalten, können verschiedene thermische Tests durchgeführt werden. Die wichtigste Eigenschaft, die bei diesen Tests untersucht wird, ist die Glasübergangstemperatur oder Tg. Die Tg ist eine definierte Temperatur, bei der ein Material von einem glasartigen in einen gummiartigen Zustand übergeht. Obwohl die Tg immer als einzelne Temperatur definiert ist, erfolgt der Glasübergang über einen längeren Temperaturbereich, der bei jedem Material unterschiedlich ist.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Tg zu messen, die bei Thermoplasten am häufigsten verwendete Methode ist die Differential Scanning Calorimetry (DSC). Für duroplastische Kunststoffe, die typischerweise alle UV-härtbaren 3D-Druckharze sind, wird am häufigsten die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) verwendet.
Tg-Messung unter Verwendung der DSC-Methode
Die Differentialscanningkalorimetrie ist eine thermoanalytische Technik, die Proben mit einer bestimmten Rate erwärmt und abkühlt und die für die Temperaturänderungen erforderliche Energiemenge misst. Jede Phasenänderung in einer Probe kostet oder erzeugt Energie, was einen Unterschied in der Energiemenge zeigt, die zum Erwärmen des Systems erforderlich ist. Die verbrauchte Energie wird dann gegen die Temperatur aufgetragen, wobei alle auftretenden exothermen und endothermen Änderungen gezeigt werden.
Tg-Messung mit DMA-Methode
Typischerweise besteht 3D-Druckharzmaterial aus vernetzten Polymeren und zeigt daher nur geringe thermische Veränderungen während des Glasübergangs, was es ziemlich schwierig macht, Tg mit DSC zu messen. Alternativ kann die dynamisch-mechanische Analyse verwendet werden. DMA verwendet mechanische Messungen und zeichnet die Daten gegen die Temperatur auf. Es können viele verschiedene Messungen wie Druck-, Zug-, Biege- oder Scherspannung verwendet werden. Die Spannung wird wiederholt angelegt und für jede Messung wird ein Modul gemessen, während Temperaturänderungen angelegt werden. Eine typische DMA-Kurve ist in Abbildung 6 dargestellt. Der Bereich, in dem der Modul plötzlich abfällt, wird als Glasübergang betrachtet.[7]
Abbildung 7: Verlust- und Speichermodul von vernetztem Material während einer DMA-Messung.
Wärmeableitungstemperatur (HDT)
Die Wärmeformbeständigkeitstemperatur ist die Temperatur, bei der sich ein Material bei einer bestimmten Belastung verformt. Dieser Test wird in einer 3-Punkt-Biegevorrichtung durchgeführt, wie in Abbildung 7 dargestellt. Der 3D-gedruckte Harzprobenstab wird einer konstanten Kraft von entweder 0.455 MPa oder 1.82 MPa ausgesetzt, wobei die Temperatur mit einer bestimmten Rate von 2 °C/min ansteigt. Die Temperatur, bei der eine Verformung von 0.25 mm gemessen wird, wird als Wärmeformbeständigkeitstemperatur bezeichnet.
Auch wenn die Testergebnisse nicht direkt anwendbar sind, werden sie hauptsächlich als universelles Vergleichsinstrument verwendet, um die thermische Leistung verschiedener Materialien zu überprüfen.[8]
Abbildung 8: Schematische Darstellung des Wärmestandfestigkeitstests.
Was bedeutet Shore-D-Härte?
Die Shore-D-Härte ist ein einfacher Test, der den Widerstand eines Materials gegen Eindrücke an der Oberfläche misst. Dieser Test wird durchgeführt, indem eine bestimmte Nadel mit einer bestimmten Kraft in die Oberfläche des Testmaterials gedrückt wird. Dieser Test wird hauptsächlich in der Gummiindustrie verwendet und gibt Aufschluss über die Steifigkeit des Gummis oder des 3D-gedruckten Harzmaterials. In der Kunststoffindustrie ist dieser Test nicht sehr interessant, da die Shore-Werte keine direkte Korrelation zu mechanischen Eigenschaften aufweisen und lediglich als schnelle und einfache Methode zur Qualitätskontrolle verwendet werden. Alle harten Materialien liegen im Bereich einer Shore-D von 80-90. Abbildung 9 zeigt eine Übersicht der Shore-A- und Shore-D-Härteskala mit Beispielen[9]. Im Vergleich zu den Liqcreate TDS von Strong-X, mit einer Shore D von 87 wird es als hartes Material eingestuft, genau wie alle anderen harten Liqcreate Materialien mit einem Shore D von ~82.
Abbildung 9: Härteskala Shore A und Shore D mit Materialbeispielen.[7]
Wie wird die Wasseraufnahme gemessen und wie wirkt sich dies auf Ihr Projekt aus?
Die Wasseraufnahme wird gemäß ASTM D570-98 gemessen. Diese Testmethode für die Wasseraufnahmerate dient als Anhaltspunkt für den Anteil des Wassers, den ein Material oder ein 3D-gedrucktes Harzteil aufnimmt. Im Test wird das Testharz in Form einer Scheibe mit 3 mm Durchmesser und 50.8 mm Dicke 3.2D-gedruckt. Das Gewicht des Materials wird vor und nach 24-stündigem Eintauchen in demineralisiertes Wasser bei 23 Grad Celsius aufgezeichnet.
Die Wasseraufnahme kann einen großen Einfluss auf 3D-gedruckte Harzteile haben, wenn sie in feuchter oder nasser Umgebung verwendet werden. Im Allgemeinen nehmen die mechanischen Eigenschaften ab, wenn ein Polymermaterial vollständig mit Wasser gesättigt ist, und das Polymerharzmaterial kann anschwellen, wenn es eine hohe Wasseraufnahme aufweist. Es ist wichtig, ein Harz mit geringer Wasseraufnahme auszuwählen, wie Liqcreate Strong-X or Deep Blue bei der Verwendung von 3D-gedruckten Harzteilen unter diesen Bedingungen.
[1] http://www.matweb.com/reference/tensilestrength.aspx
[3] www.subtech.com
[4] https://www.fictiv.com/hwg/design/engineering-fundamentals-refresh-strength-vs-stiffness-vs-hardness
[6] http://sm-nitk.vlabs.ac.in/exp5/index.html
[9] https://www.smooth-on.com/page/durometer-shore-hardness-scale/
[10] https://www.radtech2017.com/wp-content/uploads/2017/11/92Bonhoure.pdf
