Bauteile aus Photopolymeren werden unter dem Einfluss von UV-Licht spröde und vergilben. Dies ist sowohl bei Teilen aus dem 3D-Druck als auch bei herkömmlich gefertigten der Fall. Erfahre, welche Faktoren die Haltbarkeit von Teilen aus den Technologien SLA und DLP beeinträchtigen und welche Lösungen in der additiven Fertigung verfügbar sind, um diese Nachteile zu vermeiden.

Photopolymere sind Kunststoffe, die sich unter dem Einfluss von UV-Licht verändern. Werden Photopolymere bewusst oder unbewusst Licht ausgesetzt, werden enthaltene lichtempfindliche Molekülgruppen angeregt und ändern ihre Eigenschaften. So können einst kristallklare Bauteile vergilben oder im Laufe der Zeit spröde werden. Enthalten die Photopolymere sogenannte Chromophor-Gruppen, kann es auch zu einer mechanischen Kontraktion (Zusammenziehen) des Materials kommen.

Die im 3D-Druck eingesetzten Photopolymere härten unter Lichteinfluss aus – ein durchaus erwünschter und technisch sinnvoller Prozess, ohne den einige Druckverfahren nicht möglich sind. Andererseits härten die Kunststoffe auch nach erfolgtem Druck weiter aus, wenn sie dem Licht ausgesetzt werden. In diesem Beitrag widmen wir uns den Eigenschaften der Photopolymere im 3D-Druck, die in den Technologien Stereolithographie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) zum Einsatz kommen. Wie lässt sich die Langlebigkeit gedruckter Bauteile erhöhen, und welche technischen Lösungen gibt es, um die Vergilbung und Sprödigkeit zu vermeiden?

Gründe für sprödes und vergilbtes Material
Es gibt unterschiedliche Faktoren, die Bauteile aus Photopolymeren spröde werden oder vergilben lassen:

| Unvollständige Polymerisation: Wenn die Polymerisation nicht vollständig ist, kann es zu unvollständigen Verbindungen zwischen den Polymerketten kommen, was die Festigkeit und die Elastizität des Polymers negativ beeinträchtigen kann.

| Überhärtung: Wenn das Photopolymer zu lange oder zu intensiv einer Lichtquelle ausgesetzt wird, wird es überhärten. Dies beeinträchtigt die Elastizität des Polymers und kann es spröde machen.

| Unzureichende Nachbehandlung: Einige Photopolymere erfordern eine Nachbehandlung, um die Elastizität und die Festigkeit zu verbessern.

| Unzureichende Reinigung: Unvollständige Reinigung oder Rückstände von nicht reaktiven Bestandteilen im polymerisierten Teil können die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen und es spröde machen.

Wenn ein Bauteil spröde ist, sind die mechanischen Eigenschaften des Bauteils negativ beeinträchtigt. Es erfüllt die Anforderungen nur noch teilweise oder nicht mehr. Ein vergilbtes Bauteil ist ein rein optischer Mangel. Die Vergilbung wird unter anderem ausgelöst durch:

| Photodegradation: Ultraviolettes Licht (UV) und sichtbares Licht können die chemischen Bindungen in den Polymerketten brechen, was zu Veränderungen der optischen Eigenschaften führt.

| Oxidation: Photopolymere enthalten oft Sauerstoff, der unter Einwirkung von Licht und Wärme oxidieren kann. Dies führt zu Veränderungen der Polymerketten und kann zu Vergilbung führen. 

| Thermische Degradation: Unzulässig hohe Temperaturen können die chemischen Bindungen in den Polymerketten brechen und zu Vergilbung führen.

Mindesthaltbarkeitsdatum
Leider ist es nicht möglich, Photopolymer-Bauteile mit einem Mindesthaltbarkeitsdatum zu versehen. Wie lange ein gedrucktes Teil im Originalzustand verbleibt, ist immer abhängig von der Art und Intensität der Lichtquellen, denen es im Gebrauch ausgesetzt ist. Ein kritischer Faktor, der zu vorschneller Vergilbung und Versprödung führen kann, ist die Kombination aus Lichteinfluss und Wärme. Zwar sind Photopolymer-Komponenten nicht per se wärmeempfindlich, allerdings sollten die Werkstücke nicht erhöhten Temperaturen und Licht gleichzeitig ausgesetzt werden. 

Moderne Materialien sind jedoch deutlich unempfindlicher geworden. Früher sprachen Photopolymere auf ein enorm großes Lichtspektrum an. Hier reichte es bereits aus, wenn ein Teil auf dem PC abgelegt und etwas Sonne ausgesetzt wurde, um eine Reaktion hervorzurufen. Ein bekanntes Beispiel für die Reaktionsfreudigkeit sind ältere PC-Gehäuse oder Konsolen, die bereits nach vergleichsweise kurzer Zeit von der ehemals grauen in eine schmutzig-gelbe Farbe wechselten. Neue Photopolymere hingegen sind in einem kürzeren Spektrum von nur wenigen Nanometern anregbar. Somit ist die Chance, dass die Lichtquelle exakt im empfindlichen Spektrum liegt, wesentlich kleiner.

Die neuen Materialien sind deutlich langzeitstabiler, stellen aber auch erhöhte Anforderungen an den 3D-Drucker. Denn dieser muss im Druckprozess exakt die benötigte Frequenz treffen, damit der Druck erfolgreich durchgeführt werden kann.

Erhöhte Langlebigkeit dank Nachbearbeitung
Eine gängige und sehr effiziente Möglichkeit, die Langlebigkeit der gedruckten Bauteile zu erhöhen, ist der Einsatz von UV-Schutzlack. UV-Schutzlack absorbiert oder reflektiert UV-Strahlen und schützt das Material, sodass es nicht verblasst, vergilbt oder spröde wird. Die Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Bauteilen mit UV-Lack ist aber nur eine Option für eine verlängerte Haltbarkeit des eingesetzten Materials. 

Wenn 3D-gedruckte Bauteile maximal UV-beständig und hochwiderstandsfähig ausgelegt sein müssen, dann empfehlen wir unbedingt die Verwendung von ASA. ASA ist ein extrem schlagzähes Acryl-Elastomer, das ähnliche Materialeigenschaften wie ABS-Kunststoffe aufweist. Allerdings gilt ASA als witterungsbeständig, was dem Produkt den Spitznamen „ABS für außen“ verliehen hat. ASA ist das Material der Wahl, wenn es um Maschinenkomponenten oder Prototypen geht, die im Freien oder unter verstärktem UV-Einfall in Innenräumen eingesetzt werden.

Bei der additiven Fertigung stellt ASA hohe Anforderungen an den Druckprozess. Das Material reagiert sehr empfindlich auf plötzliche Temperaturschwankungen und muss in geschlossenen Bauräumen bearbeitet werden. Zudem ist der richtige Abstand zwischen Druckbett und Düse entscheidend, damit wirklich hochwertige Bauteile aus dem UV-stabilen Material gefertigt werden können. 

Bei besonderen Anforderungen: via „individuelle Anfrage“ bestellen
Das Thema der UV-Beständigkeit ist bei jedem Kunststoff relevant, vollkommen unabhängig vom Druckverfahren. Auch wenn einige Materialien, beispielsweise PA12, mit der Zeit „nur“ vergilben und nicht zerfallen, ist eine nachträgliche Farbabweichung zumindest ärgerlich, manchmal aber auch funktionsstörend. Man denke hier insbesondere an transparente Bauteile. Gleiches gilt für die Versprödung, die speziell bei Funktionsmodellen zu einer drastisch verkürzten Lebensdauer führen kann.

Bei besonderen Anforderungen an die UV-Beständigkeit von Bauteilen sollte eine „individuelle Anfrage“ auf der Plattform erstellt werden. Wichtig ist eine exakte Beschreibung, welchen Witterungseinflüssen das Bauteil ausgesetzt ist. Auf diesem Weg können wir das perfekte Material empfehlen, oder bei Bedarf allenfalls auch welche, die im Konfigurator nicht verfügbar sind. 

Fazit
Photopolymere sind Kunststoffe, die sich unter dem Einfluss von UV-Licht verändern und durch Licht aushärten. Im 3D-Druck werden sie verwendet, um unterschiedlichste Bauteile herzustellen, hierfür werden die Technologien SLA und DLP eingesetzt. Allerdings kann es zu Problemen wie Versprödung und Vergilbung kommen, wenn die Materialien einem zu langen oder zu starken Lichteinfluss ausgesetzt sind. Gründe dafür können unvollständige Polymerisation, Überhärtung, unzureichende Nachbehandlung oder eine zu lange Zeit unter Lichteinfluss sein. Vergilbung kann durch Photodegradation und Oxidation verursacht werden. Es gibt technische Lösungen, um die Langlebigkeit gedruckter Bauteile zu erhöhen und sie UV-beständig zu machen.