Die Additive Fertigung mit Resin - Eine Einführung

Dieser Blogbeitrag dient nicht als allumfassende Wissenssammlung für die Additive Fertigung mit Resin, sondern eher als kurzes Kompendium der wichtigsten Eigenschaften und Funktionsweisen dieser Technologie.

Der 3D-Druck mit Resin, zu Deutsch auch als Harz bekannt, genauer gesagt Epoxidharz, ist eine der vier großen Teiltechnologien innerhalb der Additiven Fertigung. Die vor allem in der Dentalindustrie sehr beliebte Technologie kommt, wie jede der Teiltechnologien, mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen.

Bevor wir zu diesen kommen, möchte ich aber erst einmal erklären, welche verschiedenen Methoden es für die Additive Fertigung mit Resin gibt, wie diese funktionieren und welche Hersteller es im Bereich Resin-3D-Druck gibt.

Wie der 3D-Druck mit Resin funktioniert

Ohne zunächst genauer auf die einzelnen Methoden einzugehen: Beim 3D-Druck mit Resin werden Bauteile aus flüssigem Epoxidharz hergestellt, welches mit Hilfe von UV-Licht ausgehärtet und dadurch zu Kunststoff transformiert wird.

Es wird, ähnlich wie bei Filamentdruckern, eine Schicht nach der anderen auf die Bauplatte aufgetragen. Diese Schichten werden dann mit Hilfe der Einstrahlung von UV-Licht einzeln ausgehärtet, woraufhin die nächste Schicht auf die zuvor ausgehärtete Schicht aufgetragen wird.

Nach dem Druck werden die Bauteile aus dem Drucker entnommen und kurz in einem Lösungsmittel gewaschen, wodurch überschüssiges Resin vom Bauteil entfernt wird. Daraufhin muss das Bauteil nachgehärtet werden, um die nötige Festigkeit und Stabilität zu erreichen. Zu guter Letzt müssen noch die Supportstrukturen, welche beim Resin-3D-Druck immer nötig sind, von den Bauteilen entfernt werden.

Es gibt viele verschiedene Methoden innerhalb des Resin-3D-Drucks. Ich werde mich auf die vier wichtigsten konzentrieren und deren Verfahren kurz zusammengefasst beschreiben.

Stereolithografie

Stereolithografie, häufig mit SLA oder SL abgekürzt, ist das älteste patentierte additive Fertigungsverfahren. Schon im Jahr 1984 erfolgte die Anmeldung dieses Patents durch den US-amerikanischen Physiker Chuck Hull, welcher später die Firma 3D Systems® gründete, dessen Vizepräsident er heute ist.

Bei diesem Fertigungsverfahren wird eine Konstruktionsplattform auf den Boden eines Resintanks abgesenkt. Dort wird die erste Schicht mittels einem UV-Laserstrahl, der sich von Punkt zu Punkt bewegt und die Geometrie des Bauteils „nachzeichnet“, ausgehärtet. Sobald die erste Schicht vollständig ausgehärtet ist, wird die Bauplattform um die Höhe einer Schicht angehoben.

Zumeist kann die Stärke des Laserstrahls bei SLA-Druckern nicht eingestellt werden. Daher sind Druckjobs mit unterschiedlichen Kunststoffeffekten mit der SLA-Technologie nur nach einer vollständigen Änderung des Laserstrahls möglich.

Digital Light Processing

Digital Light Processing, kurz DLP, ähnelt dem SLA-Verfahren, besitzt jedoch einen großen Unterschied – die Lichtquelle. Während diese bei SLA-Druckern punktuell von Ort zu Ort wandert, um die Schichten auszuhärten, wird bei DLP-Druckern ein Projektor genutzt, um UV-Licht auf die gesamte Bauplattform zu werfen und somit die gesamte Schicht auf einmal auszuhärten.

Im Gegensatz zum SLA-Verfahren lässt sich beim DLP die Intensität des UV-Strahls individuell steuern, wodurch unterschiedliche Kunststoffeffekte möglich sind.

Lubricant Sublayer Photo-curing

Das Lubricant Sublayer Photo-curing, kurz LSPc®, wurde von Nexa3D® entwickelt und wird ausschließlich in deren 3D-Druckern verwendet.

Auch bei diesem Verfahren ändert sich in allererster Linie die Lichtquelle. Beim LSPc®-Verfahren wird ein 4K-Monitor verwendet, welcher das UV-Licht in Form von Pixeln in Kombination mit einer Hochkontrastmaske an die richtigen Stellen projiziert.

Auch bei diesem Verfahren lässt sich die Intensität der Lichtquelle individuell steuern.

Vision-Controlled Jetting

Das Vision-Controlled Jetting, kurz VCJ, wurde von Inkbit entwickelt und lässt sich ausschließlich in der Inkbit Vista™ Druckanlage finden.

Das VCJ arbeitet mit dem Jetting-Verfahren. Die Bauplatte wird also nicht in das Resin getunkt, damit dieses selektiv ausgehärtet werden kann, sondern die Bauplatte wird an den richtigen Stellen mit Resin „besprüht“ und dieses wird mit Hilfe einer UV-Lampe direkt ausgehärtet.

Ein weiterer Unterschied zu den anderen Verfahren ist die hohe Automation. Beim VCJ-Verfahren wird der Druck nach jeder zweiten Schicht automatisch von einer Kamera gescannt, um mögliche Fehler zu erkennen. Wird ein Fehler erkannt, ist keinerlei Interaktion nötig – die integrierte Künstliche Intelligenz sorgt für eine automatische Fehlerkorrektur.

Wer Resin-3D-Drucker herstellt

Es existieren viele verschiedene Hersteller von Resin-3D-Druckern. Aufgrund der Fülle des Angebots von Druckern dieser Art werde ich mich auf die größten Hersteller für professionelle und industrielle Resin-3D-Drucker konzentrieren.

3D Systems®

Das vorhin schon erwähnte US-amerikanische Unternehmen 3D Systems® ist auch heutzutage noch aktiv in der Herstellung von SLA-3D-Druckern.

Im Portfolio von 3D Systems® befinden sich beispielsweise die industriellen SLA 750, die ProX- und die ProJet-Serie.

Inkbit

Inkbit ist ein junges, US-amerikanisches Unternehmen, welches vor allem für die Entwicklung der VCJ-Technologie bekannt ist.

Bis dato besitzt Inkbit nur eine einzige Druckanlage in ihrem Portfolio, nämlich die industrielle Vista™ Druckanlage, welche die VCJ-Technologie nutzt und speziell für die Serienfertigung entwickelt wurde.

SoonSer

Das chinesische Unternehmen SoonSer produziert seit 2013 Resin-3D-Drucker für eine internationale Käuferschaft.

Zu diesen Resin-3D-Druckern zählt die industrielle Mars-Pro-Serie sowie die professionelle Smart-Serie.

Nexa3D®

Nexa3D® ist ein US-amerikanisches Unternehmen mit einem großen Portfolio von Resin-3D-Druckern und dem Patent auf die LSPc®-Technologie.

Zum Portfolio von Nexa3D® gehören unter anderem die industriellen NXE 400Pro, NXE 200Pro und der speziell für die Dentalindustrie entwickelte NXD 200Pro, sowie der professionelle XiP 3D-Drucker.

EnvisionTEC

Das US-amerikanische Unternehmen EnvisionTEC, zumeist mit ETEC abgekürzt, ist der Vorreiter für die Nutzung der DLP-Technologie innerhalb des 3D-Drucks.

ETEC vertreibt mehrere Resin-3D-Drucker, darunter die industrielle Xtreme 8K Druckanlage und die professionellen Envision One und D4K 3D-Drucker.

Stratasys®

Stratasys® ist ein US-amerikanisch-israelisches Unternehmen, welches für seine Neo®-Stereolithografie-Serie bekannt ist.

Diese Serie besteht aus den industriellen Neo®800, Neo®450s und Neo®450e Fertigungsanlagen. Zum Portfolio von Stratasys® zählt außerdem noch die UV800 Nachhärtungsstation.

Welche Vorteile der Resin-3D-Druck bietet

Der größte Vorteil der Additiven Fertigung mit Resin ist die Oberflächengüte der Bauteile. Diese ist beim Resin-3D-Druck unerreicht, sofern die nötigen Nachbearbeitungsschritte eingehalten werden.

Auch in Sachen Detailgenauigkeit und Auflösung erreicht der 3D-Druck mit Resin absolute Höchstleistungen.

Positiv hervorzuheben sind des Weiteren die sehr hohen Druckgeschwindigkeiten, so wie die generelle Nutzerfreundlichkeit von Resin-3D-Druckern.

Ein weiterer massiver Vorteil dieser Drucktechnologie ist die Möglichkeit, vollständig transparente Bauteile ohne sichtbare Schichten zu drucken. Dies ist vor allem für medizinische Indikationen, z. B. in der Zahnmedizin, essenziell, um die Patientenzufriedenheit zu gewährleisten.

Hochkomplexe Bauteile stellen für die Additive Fertigung mit Resin kein Problem dar. Ob schlangenförmige Röhren oder Bauteile mit kleinsten Hohlräumen darin, der Resin-3D-Druck bietet die Möglichkeit für sehr hohe Designfreiheit.

Zu guter Letzt sollte die hohe Fertigungsgenauigkeit hervorgehoben werden. Der 3D-Druck mit Resin ermöglicht sehr genaue Maßtoleranzen, sodass das digitale Modell voll und ganz verwirklicht werden kann.

Welche Nachteile der Resin-3D-Druck hat

Wie alles im Leben besitzt auch der Resin-3D-Druck neben all seinen Vorteilen auch einige Nachteile.

Einerseits sind bei der Additiven Fertigung mit Resin vergleichsweise viele Prozessschritte nötig, bis ein fertiges und nutzbares Bauteil hergestellt ist. Waschen, Nachhärten und Supportentfernung sind für jedes Bauteil nötig und stellen auf Dauer einen großen Zeitaufwand dar.

Die Bauteile aus Resin sind des Weiteren relativ spröde und daher nicht für Anwendungen geeignet, bei welchen die Teile sehr starken Kräften ausgesetzt sind.

Auch bei UV-Einstrahlung ist Vorsicht geboten. Das Resin reagiert auch nach der Nachhärtung noch auf UV-Licht und kann bei längerer Sonneneinstrahlung geschwächt werden.
Inzwischen gibt es jedoch spezielle Resine, welche diesen Schwachpunkt zumindest zum größten Teil ausmerzen können.

Als letzten Nachteil muss die Toxizität des Materials genannt werden. Die Arbeit mit Resin erfordert eine sichere Umgebung und Arbeitsschutzmaßnahmen wie Handschuhe, Schutzbrillen etc., um die Sicherheit der Anwender zu gewährleisten.

Welche Anwendungsbereiche der Resin-3D-Druck hat

Die Additive Fertigung mit Resin hat einen ihrer größten Anwendungsbereiche innerhalb der Zahnmedizin. Egal ob Zahnmodelle, Bohrschablonen, Schienen jeglicher Art oder provisorischer Zahnersatz, der Resin-3D-Druck bietet Dentallaboren eine kosteneffiziente und qualitativ hochwertige Möglichkeit, um Dentalindikationen herzustellen.

Aber auch in der Allgemeinmedizin kommt der 3D-Druck mit Resin zum Einsatz. Modelle von Organen, Gipse und Schienen sind nur einige der Optionen, welche die Herstellung mit Resin bietet.

Dank seinem geringen Gewicht und der vielfältigen Auswahl an Resinen für verschiedenste Bauteileigenschaften eignet sich die Additive Fertigung mit Resinen außerdem exzellent für die Werkzeugherstellung.

Auch in der Automobilindustrie und in der Luft- und Raumfahrt haben Bauteile aus Resin aufgrund dieser Eigenschaften einen Platz gefunden.

Fazit

Der 3D-Druck mit Resin ist mit der Stereolithografie das älteste patentierte additive Fertigungsverfahren. Das bedeutet aber nicht, dass diese Technologie ausgedient hat – im Gegenteil!

Im Bereich der Additiven Fertigung mit Resin wird ständig weiter geforscht und es werden immer wieder bahnbrechende Fortschritte erzielt. Die Entwicklung von neuen Technologien wie der LSPc®- oder der VCJ-Technologie belegen dies eindrucksvoll.

Ich hoffe, dieser kleine Überblick des Resin-3D-Drucks konnte Ihnen dabei helfen, ein wenig mehr Verständnis für die Technologie und ihre Möglichkeiten zu erhalten!