Photopolymers with bioglass fiber reinforcement for 3D-printing applications

Abstract

Additive manufacturing techniques have developed expeditiously over the past few years and a variety of materials and composites can be manufactured. The use of composites can have a significant effect on the thermal and mechanical properties of 3D-printed components. In this work, the possibility of fiber-reinforced photopolymers for 3D-printing applications in the medical field was investigated. Glass fiber-polymer composites were fabricated by vat photopolymerization and were tested for their thermal and mechanical properties. Technical glass fibers (E-glass) and biodegradable glass fibers which dissolve upon contact with an aqueous solution were used as fiber reinforcement. The disadvantage of using short fibers in vat photopolymerization is that the fiber orientation is random and that the fiber can protrude at the edge of a printed part. To solve this problem, biodegradable glass fibers are used. These fibers are dissolved after the component is manufactured by using an appropriate solution. It was shown that a maximum fiber content of 40 % for E-glass and 10 % for biodegradable glass fibers is feasible. The sizing of the fibers has a great influence on fiber-matrix adhesion and must be adapted to photopolymers for future applications. The mechanical and thermal properties of 3D-printed composites could be improved by 40 % in some cases compared to 3D-printed photopolymers. The degradation of biodegradable glass fibers could not be achieved within the desired efficiency.

Additive Fertigungsverfahren haben sich über die letzten Jahre sehr stark weiterentwickelt, und es können dadurch verschiedene Materialien und Verbundwerkstoffe gefertigt werden. Die Verwendung von Verbundwerkstoffen kann die thermischen und mechanischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Bauteilen weitreichend beeinflussen.In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit von faserverstärkten Photopolymeren für 3D-Druck-Anwendungen im medizinischen Bereich untersucht. Durch badbasierte Photopolymerisation wurden Glasfaser-Polymer-Verbundwerkstoffe gefertigt und auf ihre thermischen und mechanischen Eigenschaften getestet. Als Faserverstärkung wurden Glasfasern (E-Glas) und bioabbaubare Glasfasern verwendet.Der Nachteil, der sich durch die Verwendung von Kurzfasern in der badbasierte Photopolymerisation ergibt - Faserposition und Orientierung ist wahllos und Fasern können am Rand eines gedruckten Bauteils herausragen -, soll durch bioabbaubare Glasfasern überwunden werden. Da diese Fasern nach der Fertigung des Bauteils durch Verwendung einer entsprechenden Lösung abgebaut werden und so ein Bauteil mit der gewünschten Geometrie ohne Fasern, die herausragen, möglich ist.Es wurde gezeigt, dass ein maximaler Faseranteil von 40 Gewichtsprozent für E-Glas und 10 Gewichtsprozent bioabbaubare Glasfasern realisierbar ist. Die Schlichte der Fasern hat einen großen Einfluss auf die Haftung zwischen Faser und Matrix und muss für Photopolymere für zukünftige Anwendungen entsprechend angepasst werden. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften von 3D-gedruckten Verbundwerkstoffen konnten im Vergleich zu 3D-gedruckten Photopolymeren zum Teil um 40 % verbessert werden. Der Abbau von bioabbaubaren Glasfasern konnte nicht in der gewünschten Effizienz realisiert werden.