Harz-3D-Druck: Ec, Dp, Aushärtungstiefe und mehr erklärt

Seit Beginn des Harz-3D-Drucks arbeiten Harzingenieure mit Fachjargon wie Ec, Dp, Aushärtungstiefe, Lambert-Bier-Gesetz und mehr. Auch wenn Sie aus dem zurücklesen „Grundlagen der Stereolithographie“ von Dr. Paul F. Jacobs, Director of R&D 3D-systems, veröffentlicht 1992, sprechen sie über diese Werte. In diesem Artikel versuchen wir ausführlich zu erklären, wie das funktioniert, was diese Werte bedeuten und was Sie als Anwender oder Ingenieur damit machen können. Für die kurze Version, dieser Artikel auf unserer Liqcreate Website kann von Interesse sein.

Die Aushärtungsgrundlagen des Harz-3D-Drucks erklärt

Alle Harze für den 3D-Druck sind photohärtbare Materialien, was bedeutet, dass sie auf Licht (mit der richtigen Wellenlänge) reagieren. Diese Reaktivität steuert, wie sich die Harze bei einer bestimmten Wellenlänge verhalten. Parameter über seine Reaktivität sind die kritische Energie (Ec) und die Eindringtiefe (Dp), zwei Werte, die für alle gefunden werden können Liqcreate Werkstoffe in den entsprechenden Technischen Datenblättern. Diese beiden Werte sind empirisch abgeleitete Werte, die auf Messungen basieren, die hauptsächlich mit einem 405-nm-DLP-3D-Drucker verwendet wurden. Die Lichtreaktivität wird gemessen, indem die Harze unterschiedlichen Energiedosen ausgesetzt werden (Belichtung), in den meisten Fällen wird dies durch Erhöhen der Belichtungszeit im 3D-Drucker gesteuert. Die Schichtdicke des ausgehärteten Harzes wird gemessen und über dem entsprechenden Energieeintrag aufgetragen, wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist. Angabe eines Ec- und Dp-Werts.

Der im Harz gelöste Photoinitiator absorbiert das Licht (bei der richtigen Wellenlänge) und nutzt die Energie, um die Reaktion zu starten. Die Aushärtungstiefe ist immer endlich, was zu einer logarithmischen Korrelation zwischen der Belichtung und der Aushärtungstiefe führt, eine typische Kurve ist in der obigen Abbildung dargestellt. Dies leitet sich aus dem Lambert-Beer-Gesetz ab, das den Zusammenhang zwischen der Konzentration und der Extinktion der Lösung beschreibt. In diesem Fall ist das Harz die Lösung.^[10]

Beim Auftragen der Arbeitskurve (Dicke in Mikrometer vs. Lichtenergie) ist dies eine visuelle Darstellung der Korrelation zwischen Drucker und Harz. Daraus ergibt sich ein mathematischer Zusammenhang, wie er in Formel 1 dargestellt ist 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 oder mJ/cm²], die eine Funktion der gemäß Formel 2 berechneten Belichtungszeit ist, mit:

t = Zeit [s] (Beleuchtungszeit)
Irr = Bestrahlungsstärke [W/m2] (Leistung der Lichtquelle)

Exp = t • Irr

Wie beschreiben diese Parameter das Verhalten von Harzen in einem 3D-Drucker aus praktischer Sicht? Nun, die Eindringtiefe (Dp) zeigt eine Materialempfindlichkeit gegenüber Änderungen der Lichtleistung, was bedeutet, dass ein Material mit einem niedrigeren Dp eine bessere Leistung aufweist, wenn es Schwankungen der Belichtungszeit/Lichtquellenleistung ausgesetzt wird, während ein Material mit einem höheren Dp , ist eher ein schneller Bedruckstoff, aber auch störanfälliger bei Abweichungen in der Lichtleistung. Während es scheint, dass schnellere Druckharze vorzuziehen sind, sind weniger empfindliche Harze in der Praxis nützlicher, da die Wahrscheinlichkeit von Änderungen der Lichtleistung aufgrund mangelnder ordnungsgemäßer Reinigung und Verschlechterung der Lichtquelle hoch ist.

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. Der letzte Wert, der dieser Grafik entnommen werden kann, ist der maxMaximale Aushärtungstiefe (max Cd) eines Materials. Das ist das Praktische maxMaximale Dicke, die Sie ein Harz aushärten können. Dies ist wichtig, wenn Sie die erste Schichtlücke in einem 3D-Drucker überwinden müssen, die mehrere hundert Mikrometer betragen kann.

Aushärtungsverhalten von Harz-3D-Druck in der Praxis

Das war alles Theorie, mal sehen, wie das in der Praxis funktioniert. Wir haben unseren Werbespot aufgenommen Premium Black Resin und ließ es auf zwei verschiedenen DLP-Maschinen laufen, die für diese Art von Tests offen sind. Einer ist der Asiga Max (DLP, 385 nm), die auf 8 mW/cm eingestellt war² und 4 mW/cm²  Leistung und hat eine 385nm Lichtquelle und der andere einen offenen 405nm DLP mit 8mW/cm² Stromversorgung.

Drei verschiedene Sets wurden auf dem 385nm Asiga bei 8 und 4mW/cm gemessen²  mit Premium Black Harz. Zuerst Premium Black wurde bei 8 mW/cm gemessen² und mit unterschiedlichem Timing / Leistung belichtet. Danach wurde die Leistung auf 4mW/cm eingestellt²  und zwei weitere Sätze wurden gemessen, einer mit 2-facher Belichtung (also gleiche Gesamtenergie) und einer, bei dem die 2-fache Belichtung in zwei verschiedenen Bursts gegeben wurde. Wenn Sie die Daten in Dicke (in Mikrometern) gegen Energie (in mW/cm²) wurden diese Ergebnisse erzielt.

Dies bestätigt, dass sich das Harz innerhalb des Versuchsfensters gemäß dem Gesetz von Lambert Beers verhält und eine andere Expositionsstrategie seine Absorption oder seinen Härtungsmechanismus nicht wesentlich verändert.

405nm gegenüber 385nm Wellenlänge

Dann machen Sie das gleiche Experiment mit Premium Black bei 405nm und 385nm (beide 8mW/cm²) Leistung, können Sie große Unterschiede feststellen, da sich das Harz bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich verhält.

Drei Dinge, die Sie aus den Tests mit diesem speziellen Harz lernen können:

• – 385nm ist effizienter mit Beginn der Aushärtung (niedriger Ec)
• – 405 nm ist effizienter beim Aushärten dicker Schichten (höherer Dp)
• – Die Steigung des 405-nm-Tests ist steiler, was ihn anfälliger für Durchhärtung macht, aber auch die Druckgeschwindigkeit bei dickeren Schichten erhöhen kann.

Ec und Dp für 405 nm gegenüber 385 nm Wellenlänge

Wie Sie der vorherigen Grafik entnehmen können, unterscheiden sich auch die Ec- und Dp-Werte für 385 nm und 405 nm. Wenn nichts angegeben ist, fragen Sie am besten beim Hersteller nach, bei welcher Wellenlänge Ec und Dp gemessen werden. Standardmäßig tun wir dies bei 405nm, wollen dies aber auch auf 385nm erweitern.

Berechnung von Ec und Dp von Premium Black bei 405nm und 385nm würde folgende Werte ergeben:

Wir hoffen, dass dies eine interessante und lehrreiche Lektüre war. Wenn Sie Fragen oder Kommentare zu diesem Thema oder anderen Dingen im Zusammenhang mit Harz haben, senden Sie uns bitte eine E-Mail an info@liqcreate.com.com und unsere Ingenieure helfen Ihnen dabei.