Entwicklung eines hybriden 3D-Druckprozesses für das 3D-Drucken digitaler Materialien

Abstract

Lithographie-basierte additive Fertigungstechnologien (L-AMTs) sind bekannt für ihre hervorragende Oberflächenqualität, Präzision und nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit. Der schichtweise Aufbau ermöglicht ressourceneffizient, komplexe Bauteile formlos zu fertigen. Für einige industrielle Anwendungen erfüllen Materialien, verarbeitet mit L-AMTs, nicht die thermomechanischen Anforderungen. Dies ist insbesondere bei spröden Photopolymeren mit niedriger Bruchzähigkeit von Bedeutung. Folglich wird auf industrieller und akademischer Ebene an unterschiedlichen Konzepten und Strategien gearbeitet, um die Bruchzähigkeit der Photopolymere zu erhöhen. In dieser Arbeit wurde ein hybrides Druckkonzept entwickelt, um heterogene Bauteile additiv zu fertigen. Durch die Kombination von dynamischem Digital Light Processing (DLP) und Drop on Demand (DoD) Inkjet Printing, können Multiphasenmaterialien digital Schicht für Schicht aufgebaut werden. Diese Strukturen, die abwechselnd aus harten und weichen Materialien bestehen und sich im E-Modul um den Faktor 5 unterscheiden, zeigen ausgezeichnete bruchmechanische Eigenschaften. Materialkonzepte mit hierarchischen Strukturen und exzellenten Materialeigenschaften können in der Natur beobachtet werden. Eine Vielzahl an Organismen erreichen durch heterogene Mikroarchitektur eine deutliche Steigerung der Bruchzähigkeit lasttragender Materialien. Typischerweise bestehen sie aus harten und weichen Phasen in komplexen Strukturen, um hohe Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit zu kombinieren. Die wohl bekanntesten Beispiele von natürlich vorkommenden Komposit-Materialien sind Zähne, Knochen und Perlmutt.In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Materialkombinationen (harte Matrix und weiche Inklusionen) entwickelt und mittels Drucksystem zu digitalen Materialien additiv gefertigt. Im Vergleich zum homogenen Referenzmaterial zeigen mechanische Tests der digitalen Materialien mit weichen Inkjet-Tropfen eine effektive Steigerung der Bruchzähigkeit. Die Hauptursache dafür wird primär auf die Verhinderung der Rissausbreitung an den Grenzflächen zwischen Matrix und Heterogenitäten zurückgeführt. Spannungen an der Rissspitze können in der weichen Phase durch plastische Deformation im Matrixmaterial dissipiert werden. Zusätzlich zum Zugversuch wurden auch Spannungsrelaxation, dynamisch mechanische Analyse und Nanoindentierung durchgeführt, um die thermomechanischen Eigenschaften der erfolgreich gedruckten Proben zu charakterisieren. Durch die Modifikation wurde die Zähigkeit und Bruchdehnung der entwickelten digitalen Materialien im Vergleich zum ursprünglichen Matrixmaterial, um mehr als 91 % und 168 % erhöht. Darüber hinaus zeigten die Nanoindentierunsgmessungen einen Faktor 10 Unterschied im E-Modul zwischen harter und weicher Phase.

Lithography-based Additive Manufacturing Technologies (L-AMTs) are well known for their excellent surface quality, precision, and nearly unlimited freedom of design. The layer-wise build up enables resource-efficient manufacturing of complex components without a tool. However, for some industrial applications, L-AMTs cannot reach the required thermomechanical properties of the final part material. This is of specific concern for photopolymers in which fracture toughness is also challenging. Consequently, a lot of effort is conducted to develop and expand toughening strategies for polymers manufactured by additive manufacturing technologies in academia and industry. In this study, a hybrid printing concept was designed and developed to manufacture heterogeneous parts. Combining dynamic digital light processing (DLP) to print the matrix with Drop on Demand (DoD) inkjet printing is used to fabricate multiphase-materials layer by layer. The printed structures, which alternate hard and soft materials, whose elastic modulus differs by at least a factor of 5, show excellent fracture mechanics. The behaviour of materials with hierarchical structures and excellent material properties can be observed in nature. A variety of organisms achieve fracture toughness through heterogeneity. Typically, they consist of hard and soft phases arranged in complex hierarchical structures to combine high strength, stiffness, and toughness. The most well-known examples of naturally occurring composite materials are teeth, bones, and mother of pearl.In this study different material combinations (hard matrix and soft inclusions) were developed and manufactured to digital materials with the printing system. Mechanical test results showed effective improvement in the toughness compared to homogenous materials, mainly attributed to the impeding of the crack propagation at the matrix/heterogeneity interfaces. Stresses at the crack tip can be dissipated in the soft phase through plastic deformation in the material. In addition to the tensile test, stress relaxation, dynamic mechanical analysis and nanoindentation were performed to characterize the thermomechanical properties of the successfully printed specimens. The modification increased the tensile toughness and elongation at break of the developed digital materials by more than 91% and 168% compared to the original matrix material. In addition, nanoindentation measurements showed a factor of 10 difference in the E modulus between the hard and soft phase.