Development of inkjet inks for the fabrication of digital materials with increased toughness

Abstract

Since the 1980s , additive manufacturing technologies (AMTs) are a fast-growing industrial sector for different types of materials. The layer-wise fabrication method offers the possibility to manufacture customized products with complex geometries without material waste. For polymers, lithography-based additive manufacturing technologies (L-AMTs) are the method of choice to fabricate parts fast with high accuracy and good surface quality. However, the received photopolymers are mostly brittle and in many cases provide insufficient (thermo)mechanical properties, limiting the field of application. Consequently, significant effort is conducted towards developing toughening strategies for photocurable resins in academia and industry. A promising strategy is local modification of photopolymers. This approach is based on the natural toughening mechanism of glass sponges. Performed on a hybrid printer developed by TU Wien, a primary hard matrix material is printed with a L- AMT-printer and a soft ink is added selectively via inkjet printer. In this process, composite materials are produced which are referred to as digital materials since every point is either unmodified primary material or modified with the secondary material. This work focuses on the development of soft inkjet inks, which have to fulfill a wide range of requirements. To mimic the soft organic interlayers of glass sponges, acrylate-based inks were developed providing a glass transition temperature below room temperature and elastomer- like behavior. To enable processing via inkjet printing the viscosity of the inks was especially low, the surface tension was suitable and the inks were storage stable for extended periods of time. Furthermore, the photoreactivity was sufficiently high to enable fast curing by an LED light source. The diffusion of the ink into the matrix could be reduced by the utilization of less polar monomers. If polymerization under inert atmosphere is not applicable, oxygen inhibition during the curing process plays a crucial role. In order to prevent oxygen inhibition issues, vinyl ether-based inks were developed, reacting by pure thiol-ene step-growth polymerization. Suitable inks were used to print digital materials, which were characterized regarding their mechanical properties and quality of the printed structures. Composite materials could be fabricated providing mostly improved toughness compared with the reference matrix material.

Additive Fertigungstechnologien (AMTs) sind seit den 1980er Jahren ein schnell wachsender Industriezweig für verschiedene Arten von Materialien. Das schichtweise Fertigungsverfahren bietet die Möglichkeit, kundenspezifische Produkte mit komplexen Geometrien ohne Materialverschwendung herzustellen. Für Polymere sind Lithographie-basierte additive Fertigungstechnologien (L-AMTs) die Methode der Wahl, um Teile schnell mit hoher Genauigkeit und guter Oberflächenqualität herzustellen. Die erhaltenen Photopolymere sind jedoch meist spröde und weisen schlechte (thermo)mechanische Eigenschaften auf, die den Anwendungsbereich einschränken. Folglich wird in Wissenschaft und Industrie erheblicher Aufwand betrieben, Strategien zur Erhöhung der Zähigkeit von photohärtbare Harze zu entwickeln. Eine vielversprechende Strategie ist die lokale Modifikation von Photopolymeren. Dieser Ansatz basiert auf dem natürlichen Mechanismus zur Zähigkeitserhöhung von Glasschwämmen. Auf einem von der TU Wien entwickelten Hybriddrucker wird ein primäres, hartes Matrixmaterial mit einem L-AMT-Drucker gedruckt und eine weiche Tinte wird selektiv über einen Tintenstrahldrucker hinzugefügt. Dabei werden Verbundmaterialien hergestellt, die als digitale Materialien bezeichnet werden, da jeder Punkt entweder unmodifiziertes Primärmaterial ist oder mit dem Sekundärmaterial modifiziert wurde. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung weicher Inkjet-Tinten, die vielfältige Anforderungen erfüllen müssen. Um die weichen organischen Zwischenschichten von Glasschwämmen nachzuahmen, wurden Tinten auf Acrylatbasis entwickelt, die eine Glasübergangstemperatur unter Raumtemperatur aufweisen und sich wie ein Elastomer verhalten. Für die Verarbeitung per Inkjet-Druck war die Viskosität der Tinten besonders niedrig, die Oberflächenspannung in einem bestimmten Bereich und die Tinten waren über längere Zeit lagerstabil. Darüber hinaus war die Photoreaktivität ausreichend hoch, um eine schnelle Aushärtung durch eine LED-Lichtquelle zu ermöglichen. Durch die Verwendung weniger polarer Monomeren konnte die Diffusion der Tinte in die Matrix verringert werden. Wenn eine Polymerisation unter inerter Atmosphäre nicht möglich ist, spielt die Sauerstoffinhibierung während des Härtungsprozesses eine entscheidende Rolle. Um Probleme mit der Sauerstoffinhibierung zu vermeiden, wurden Tinten auf Basis von Vinylethern entwickelt, die als reine Thiol-En-Stufenwachstumspolymerisation reagieren.VGeeignete Tinten wurden zum Drucken digitaler Materialien verwendet, die hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und Qualität der gedruckten Strukturen charakterisiert wurden. Dabei konnten Verbundmaterialien hergestellt werden, die im Vergleich zum Referenzmatrixmaterial eine größtenteils verbesserte Zähigkeit aufweisen.