Революция в 3D-печати с передовыми смольными технологиями

Одним из главных барьеров, который 3D смольная печать всегда имела при внедрении на промышленном уровне, был ограниченный ассортимент доступных материалов. Изначально единственными доступными материалами были смолы на основе акрилатных олигомеров, обычно низкомолекулярных, которые выделялись своей высокой хрупкостью и низкими механическими и тепловыми свойствами. Из-за этого 3D смольная печать всегда отодвигалась на второй план в производстве функциональных компонентов и прототипов в пользу технологий 3D-печати на основе термопластиков, таких как FDM или SLS.

Однако в последние годы это кардинально изменилось. Появление новых технических смол с передовыми свойствами, разработанных специально для определенных профессиональных применений, привлекло к этой технологии внимание многих секторов. В сочетании с появлением новых технологий 3D-печати на основе смол, таких как LED-LCD, которые сумели снизить затраты и значительно увеличить скорость печати, это стало жизнеспособной альтернативой, которая может даже превзойти FDM и SLS в некоторых областях применения.

Эти технические смолы можно классифицировать на три группы в зависимости от области фокуса:

• Смолы для ювелирного дела
• Стоматологические смолы
• Инженерные смолы

СМОЛЫ ДЛЮ ЮВЕЛИРНОГО ДЕЛА

Ювелирная промышленность исторически была первой, внедрившей 3D смольную печать. Это связано с высоким разрешением, которое предлагает эта технология, способной производить небольшие модели в масштабе 1:1 с высококачественной отделкой.

Изображение 1: Ювелирная модель, напечатанная смолой. Источник: uniz.com

Хотя стандартные смолы широко используются для производства моделей, то, что стало переломным моментом, — это появление высококачественных отливочных смол. Эти смолы выделяются тем, что практически не оставляют остатков при обжиге, что сделало их идеальной заменой восковым моделям, изначально использовавшимся в литье.

Благодаря этому возможно напрямую печатать отливочное дерево, без необходимости изготовления форм для производства восковых мастер-моделей или ручной сборки деревьев, что сокращает ручные этапы и автоматизирует процесс.

Видео 1: Традиционная подготовка воскового дерева. Источник: greekerajewelry.com

В общем, этот тип смолы может содержать процент жидкого воска в своем составе, предназначенный для устранения любых зольных остатков, производя чистую форму, подходящую для качественного литья. Более высокий процент воска даст более чистый обжиг и с меньшим остатком, однако может повлиять на точность печати. Кроме того, этот тип смолы обычно характеризуется очень низким коэффициентом расширения.

В настоящее время на рынке существует множество вариантов высококачественных отливочных смол , совместимых как с SLA, так и с DLP или LED-LCD. Выделяются смолы Formlabs "Castable Wax" с 20% воска или ZWax Purple с 10% воска и совместимыми с DLP и LED-LCD принтерами их комбинацией низкого остатка, низкого теплового расширения и высокой точности.

Изображение 2: Кольцо, напечатанное с zWax Purple. Источник: Uniz.com

СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЕ СМОЛЫ

Наряду с ювелирным делом, стоматологический сектор был одним из первых, внедривших 3D смольную печать, и сейчас это самый быстрорастущий сектор с самым широким ассортиментом материалов.

Стоматологические смолы в общем можно сгруппировать в четыре категории в зависимости от их применения:

• Смолы для стоматологических моделей.
• Смолы для ретейнеров и кап.
• Смолы для временных коронок и мостиков
• Отливочные смолы

Смолы для стоматологических моделей

Это смолы, которые не предназначены для контакта с пациентом. Обычно они используются для производства моделей пациентов, на которых стоматолог или врач может работать для планирования вмешательств или проверки элементов, таких как коронки или мостики. Они похожи по составу на стандартные смолы и в основном ориентированы на высокую точность и разрешение, а также низкую стоимость производства.

Изображение 3: 3D напечатанная модель смолой. Источник: Uniz.com

Также важно в этих смолах, чтобы они имели определенные эстетические качества, выделяя две группы:

• Смолы с матовым финишем, которые облегчают визуализацию и фотографирование моделей, избегая появления отражений максимально возможной степени. Среди этого типа смол выделяется стоматологическая смола Model от Formlabs, с финишем, похожим на гипс.
• Смолы, дающие реалистичный внешний вид, такие как стоматологическая розовая смола от Harzlabs.

Смолы для ретейнеров и кап

Эти смолы предназначены для производства ретейнеров и кап, поэтому, помимо биосовместимости как минимум класса IIa, они должны иметь отличную износостойкость и разрывную прочность.

Другой распространенной характеристикой является то, что они обычно высокопрозрачны, в основном по эстетическим причинам.

Видео 2: Производство кап с использованием 3D смольной печати. Источник: Formlabs.com

Помимо производства ретейнеров и кап, они широко используются в производстве хирургических шаблонов благодаря их хорошей совместимости и отличным механическим свойствам. Некоторые производители, такие как Formlabs, включают специальную смолу для этого применения, такую как смола Dental Surgical Guide, которая обеспечивает большую гибкость.

Изображение 4: Хирургические шаблоны, напечатанные SLA. Источник: Formlabs.com

Можно найти смолы, разработанные для производства кап и ретейнеров, совместимые как с SLA, такие как Formlabs Dental LT, так и с DLP и LED-LCD, такие как Dental Clear от Harzlabs.

Смолы для временных коронок и мостиков

Это смолы, используемые для производства мостиков, коронок, реставраций и временных виниров. Они должны быть биосовместимыми и обеспечивать финиш, похожий на натуральные зубы.

Для обеспечения этого финиша в общем используются керамические компоненты и пигменты, которые дают оттенки в шкале VITA.

Изображение 5: Цветовая шкала VITA. Источник: vita-zahnfabrik

После печати эти смолы могут быть отполированы и окрашены фото полимеризующими винирами для получения идеального финиша для каждого пациента.

Смола Temporary CB от Formlabs доступна в четырех оттенках VITA (A2, A3, B1 и C2), а смола Dental Sand от Harzlabs доступна в оттенках A1 и A2.

Отливочные смолы

Смолы похожие на используемые в ювелирном деле. В этом случае необходимость производить как можно меньше отходов еще более критична.

Они в основном используются в производстве моделей для изготовления стоматологических имплантов литьем. Выделяется смола Harzlabs Dental Cast, с остатком менее 0.1%.

ИНЖЕНЕРНЫЕ СМОЛЫ

Промышленный и инженерный сектор всегда был самым неохотным внедрять 3D смольную печать. Это в основном потому, что на механическом и тепловом уровне смолы не могут конкурировать с инженерными материалами, доступными для FDM, или полиамидами, используемыми в SLS.

Хотя это всё еще верно сегодня, в последние годы достижения в материалах и появление новых инженерных смол сокращают разрыв между различными технологиями 3D-печати. Существует три группы инженерных смол:

• Смолы с улучшенными механическими свойствами
• Смолы с улучшенными тепловыми свойствами
• Гибкие и эластичные смолы

Смолы с улучшенными механическими свойствами

Это смолы, разработанные с целью обеспечения меньшей хрупкости и более высокого модуля, чем стандартные смолы. В то время как стандартные смолы, такие как Harzlabs Basic Resin, предлагают разрывную прочность 20 МПа, новые инженерные смолы, такие как Ultracur3D RG50 от BASF, обеспечивают разрывную прочность до 68 МПа, в три раза выше. Эта разрывная прочность даже выше, чем у ABS-филаментов, и близка к материалам вроде нагрузочно-усиленного нейлона.

Также появились инженерные смолы с другими специфическими свойствами, такими как высокие износостойкость или ударопрочные смолы.

Изображение 6: Сравнение ударной прочности различных смол Formlabs. Источник: Formlabs.com

Среди смол с высокой ударной прочностью выделяется линейка Ultracur3D High Impact от BASF. Эти смолы обеспечивают разрывную прочность 50 МПа с деформацией на разрыв 56%, модуль изгиба 1700 МПа и ударную прочность 1.39 Дж/м². Это делает их идеальными для производства механических компонентов и функциональных прототипов.

Изображение 7: Смола BASF Ultracur3D RG35. Источник: forward-am.com

Смолы с улучшенными тепловыми свойствами

Теплостойкость всегда была одной из слабых точек смол для 3D-печати. В общем, все смолы имеют температуры размягчения между 50°C и 80°C.

Изображение 8: Сравнение температуры деформации под нагрузкой различных смол Formlabs. Источник: Formlabs.com

В настоящее время существует очень мало смол для высокотемпературных применений, с смолой Formlabs High Temp как наиболее важной. Это смола, способная выдерживать температуры до 142 °C после отверждения (под нагрузкой 0.45 МПа). Главное преимущество этой смолы в том, что возможно увеличить её теплостойкость до 238 °C путем применения термической обработки к деталям, состоящей в нагреве до 60 °C в течение одного часа, а затем до 160 °C в течение полутора часов.

Гибкие и эластичные смолы

Одним из главных недостатков смол для 3D-печати всегда была их высокая хрупкость, свойство нежелательное в инженерии. Именно поэтому появление в последние годы гибких и эластичных смол стало революцией.

Изображение 9: Сравнение смолы Flexible 80A и Elastic 50A. Источник: FormLabs.

Сегодня существует множество вариантов как для SLA, так и для LED-LCD. В SLA выделяются смолы Flexible 80A и Elastic 50A. Flexible 80A — это высокогибкая смола с деформацией на разрыв 120% и твердостью 80 Shore A, в то время как Elastic 50A — смола с хорошей эластичностью, деформацией на разрыв 160% и твердостью 50 Shore A.

Однако один из самых важных скачков вперед в этом типе материалов — новая линейка гибких и эластичных смол от BASF. Это смолы на основе уретанакрилатных олигомеров, и они предлагают наибольшую гибкость и эластичность среди доступных сегодня смол. BASF Ultracur3D FL300, например, с твердостью всего 37 Shore A, обеспечивает деформацию на разрыв до 306%.

Изображение 10: Смола BASF Ultracur3D FL60. Источник: forward-am.com

В последние годы ассортимент материалов для 3D смольной печати вырос экспоненциально, включая новые материалы со свойствами, которые совпадают и в некоторых случаях даже превосходят те, что предоставляют термопластики для FDM. Это, в сочетании с тем, что 3D смольная печать обеспечивает более высокую изотропию, чем FDM, делает её жизнеспособным вариантом во многих промышленных и инженерных применениях.