Neue Konzepte zur Zähigkeitssteigerung 3D-druckbarer Photopolymere

Generative Fertigungsverfahren gewinnen zusehends Potenzial als mögliche Methode für zukünftige werkzeuglose Fertigung. Die größte Herausforderung besteht darin, Bauteile herzustellen, deren geometrische UND mechanische UND funktionelle Eigenschaften mindestens so gut sind wie die der herkömmlich (zB. Polymerspritzguss) hergestellten Teile. Das derzeitige Dilemma der generativen Fertigung ist die Tatsache, dass keine der derzeit verfügbaren Technologien hohe geometrische Qualität (Oberflächenrauigkeit, Genauigkeit) und hohe mechanische Eigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit, Wärmeformbeständigkeit) zur gleichen Zeit bereitstellen kann. Lithographie-basierte generative Fertigungsverfahren (zB. Stereolithographie) haben die Eigenschaft, hervorragende Detailauflösung, Oberflächengüte und Präzision zu erreichen, leiden aber derzeit daran, dass die verfügbaren Photopolymereeine geringe Bruchzähigkeit und /oderniedrige Wärmeformbeständigkeit aufweisen. Das Ziel dieses Projektes ist es, eine neue Klasse von thermoplastartigen Photopolymeren zu entwickeln, die 3D-Druck mit hoher Auflösung und Genauigkeit ermöglichen, und gleichzeitig deutlich verbesserten thermomechanischen Eigenschaften aufweisen. Die Hypothese, die diese Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik ermöglichen soll, geht davon aus, dass ein stark kovalent dominiert Polymernetzwerk immer spröd sein wird, da kovalente, chemische Vernetzungen nur irreversibel aufgebrochen werden können. Ein Polymer hingegen, das durch physikalische Bindungen (sekundäre Bindungen zwischen den Polymerketten) dominiert wird, zeigt eine größeres Potential für eine hohe Bruchzähigkeit, da sekundäre Bindungen reversibel aufgebrochen werden können und so eine größere Energiedissipation durch aufgrund der Bewegung der Ketten gegeneinander möglich wird . Starke sekundäre Bindungen führen zu einer hohen Viskosität der Monomere und solche hochviskosen Monomere können mit den gegenwärtig verfügbaren Lithographiebasierten 3D-Druckern nicht verarbeitet werden. Durch entsprechende apparative Modifikationen dieser 3D-Drucker und der gleichzeitigen Entwicklung innovativer Monomersysteme mit erhöhten intermolekularen Kräfte wird dieses Projekt den experimentellen Nachweis der oben gestellten Hypothese versuchen. Eine beheizbare Wanne (60-80 C) ermöglicht die Verarbeitung von Monomeren mit hohem Molekulargewicht (~ 5 kDa ). Das hohe Molekulargewicht ist auch vorteilhaft im Zusammenhang mit einer geringen Schrumpfung bei der Polymerisation. Die zu entwickelnden Monomere sind monofunktionell, um den thermoplastartigen Charakter des resultierenden Polymers zu betonen. Eine Polymerisation oberhalb der Glasübergangstemperatur (Tg ) des Materials gewährleistet einen hohen Doppelbindungsumsatz (> 98%). Die Verwendung von Methacrylat-basierenden Monomeren wird die thermischeStabilität des Monomersystems während der Verarbeitung verbessern. Ein Polymerisationsgrad von ~ 10 ist ausreichend, da ähnliche, handelsübliche thermoplastische Urethanelastomers ein Molekulargewichte von 50 kD haben. Der zweite kritische Punkt von monofunktionellen Monomeren ist ihre geringe Photoreaktivität aufgrund ihres verzögerten Gelpunktes. Durch Einsatz von thermisch labilen Vernetzungen wird dieses Problem umgangen.

Additive Fertigungsverfahren erhalten eine enorme Aufmerksamkeit als eine potenzielle Methode für zukünftige werkzeuglose Fertigung. Das größte Problem besteht darin, schlussendlich Bauteile mit sowohl genauer Geometrie als auch guten Materialeigenschaften drucken zu können. Die erhaltenen Eigenschaften sollten mindestens so gut sein wie die von herkömmlich hergestellten Teilen (z.B. Spritzguss). Das momentane Dilemma der additiver Fertigung ist die Tatsache, dass keine der derzeitig erhältlichen Technologien gleichzeitig hohe geometrische Anforderungen (Oberflächenrauigkeit, Präzision) und gute Materialeigenschaften (Festigkeit, Zähigkeit, Wärmeformbeständigkeit) bereitstellen kann. Lithographiebasierte additive Fertigungsverfahren weisen das höchste Potential auf, um diese Ziele erreichen zu können. Sie leiden jedoch daran, dass keine dafür geeigneten Harze kommerziell verfügbar sind. Das Ziel dieses Projekts war es, neue photopolymerisierbare Monomersysteme für die lithographiebasierte additive Fertigung herzustellen, die 3D-Druck mit hoher Auflösung aber auch guten thermomechanischen Materialeigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit und Wärmeformbeständigkeit ermöglichen. Weiters wurden momentan erhältliche lithographie- basierte 3D-Drucker weiterentwickelt, um diese neuen Monomersysteme verarbeiten zu können. Dazu wurden eine beheizbare Wanne und ein beheizbares Beschichtungssystem entwickelt, die auch eine Verarbeitung von hochviskosen Harzen erlauben. Mit diesen neuen verbesserten 3D-Druckern wurden verschiedene Konzepte zur Schlagzähigkeitserhöhung von Photopolymeren untersucht. Die getesteten Methoden reichen von Herstellung von ABS- ähnlichen Photopolymeren (ABS als Maßstab bezüglich Zähigkeit von Kunststoffen), Zugabe von verschiedenen Additiven zu kommerziell erhältlichen Harzen, bis hin zur Erforschung von neu synthetisierten Monomeren. Für biomedizinische Anwendungen sind handelsübliche photopolymerisierbare Monomere aufgrund von Toxizität und niedriger Biokompatibilität nicht geeignet. Daher wurden Formulierungen basierend auf biokompatiblen Vinylestern entwickelt. Somit wurde es auch möglich, mittels lithographiebasierten 3D-Drucks bruchzähe, biokompatible Materialien für medizinische Anwendungen zu fertigen.