Entwicklung und Charakterisierung von schlagzähen und temperaturbeständigen Photopolymeren zur Verwendung in stereolithographischen, additiven Produktionsprozessen

Abstract

Die Technologie der additiven Fertigung ermöglicht flexible Formen bei der Bauteilher- stellung. Speziell die Stereolithographie sorgt für hohe Präzision in der Ausführung. Um diese Technologie nicht nur für Prototypen, sondern auch für Funktionsbauteile einsetzen zu können, ist die Entwicklung eines verdruckbaren Materials mit guten mechanischen und thermischen Eigenschaften notwendig. In dieser Masterarbeit wird die Materialentwicklung von hochviskosen Harzen zur Verwendung in einem stereolithografischen, additiven Produktionsprozess untersucht. Der von der Firma Cubicure GmbH entwickelte 3D-Drucker mit beheizbaren Elementen ermöglicht deren Verarbeitung. Das Ziel ist die Entwicklung eines schlagzähen Photopoly- mers, welches sich aus einer Matrix (Urethanmethacrylat) und einer hochmolekularen Komponente (Acrylat oder Methacrylat) zusammensetzt, wobei der Photoinitiator für die Reaktivität der Mischung auf Laserstrahlung sorgt. Die Eigenschaften von Photopolymeren hängen von der Quervernetzung im Material, der Stärke der intramolekularen Kräfte und der molekularen Masse der verwendeten Monomere ab. Da diese Materialeigenschaften im Zusammenhang stehen, ist die Optimierung der Eigenschaften oftmals ein Kompromiss. Im Prozess der Materialfindung wurde der Einfluss von Funktionalität der Oligomere, der molaren Masse, des Photoinitiatorgehalts, Core-Shell Partikeln und Glasübergangstemperatur-Erhöhern untersucht. Die Wärmeformbeständigkeit der Materialien lag bei ca. 300 MPa im kritischen Bereich zwischen 80 & 100 °C. Die Zugabe von Core-Shell Partikel zeigte eine Verdopplung der Schlagzähigkeitswerte und es wurden Spitzenwerte um 85 kJ/m2 erreicht. Die Zugfestigkeit zeigte ein solides Ergebnis für die Zugspannung um 75 MPa, allerdings blieb die Bruchdehnung stets unter 10 %. Die Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der Interaktionen der Materialeigenschaften für deren Weiterentwicklung. Die hergestellten Bauteile lassen sich mit der beheizbaren Stereolithographie-Technik der Firma Cubicure in hoher Präzision fertigen und qualifizieren sich für den Einsatz unter erhöhter Temperatur und mechanischer Einwirkung.

The technology of additive manufacturing enables flexible forms in the production of parts and especially stereolithography supplies high precision in the process. To use this manufacturing process, not only for prototypes, but for functional parts, the development of printable materials with sufficient mechanical and thermal properties is necessary. This thesis examines the use of high-viscosity resins for the stereolithographical additive manufacturing process. The 3D-printer, developed by the company Cubicure GmbH, ena- bles the processing of high-viscosity resins by heatable elements. The aim is to develop an impact resistant photopolymer, consisting of a matrix (urethanmethacrylate) and a high-molecular component (acrylate or methacrylate). The addition of a photoinitiator provides the sensitivity for laser radiation. The properties of photopolymers depend on the crosslinking in the material, the strength of the intramolecular forces and the molec- ular weight of the used monomers. These properties are all related and therefore the op- timization is often a compromise. In the process of material development the impact of the functionality of the oligomers, the molecular weight, the concentration of the photoin- itiator, of core-shell particles and glass transition temperature modifier is analyzed. The dimensional stability under heat was around 300 MPa in the critical zone between 80 ¿ 100 °C. The addition of core-shell particles showed a doubling of its impact strength and top values of 85 kJ/m2 were reached. The tensile strength showed solid results around 75 MPa, however the elongation at break remained at low values below 10 %. The results allow a better understanding of the interaction of the material properties for further development. The parts manufactured by the heatable stereolithography tech- nique of the company Cubicure were produced in high precision and are qualified for the use under high temperatures and mechanical impact.