Process optimisation of 3D-printable photopolymers on industrial lithography systems

Abstract

Tool-free, fast, individual and cost-effective production of prototypes. These properties characterise the production of components with 3D printers. The idea of additive manufacturing of parts has been known since the late 1980s, whereby the process of layer-by-layer production is the common approach in currently used AM technologies. In addition to the well-known fused deposition modelling (FDM) or selective laser sintering (SLS) processes, the technology of stereolithography (SLA) has experienced a revival in recent years. In this process, photoreactive polymer resins are applied in layers to a build platform and polymerised using electromagnetic radiation (UV/VIS light). Originally, these technologies were used to produce prototypes and individual parts. To address larger markets, the focus has increasingly shifted to the development of additive production systems for industrial series production. The challenge here is process scaling and the enhanced requirements on material properties.The aim of this diploma thesis is to optimize the stereolithographic additive production process for processing photoreactive polymer resins on a large-scale system. The process-related and material-related correlations of the polymer samples are analysed and optimized during a system change from a small system (prototyping, small series) to a large system (series production). In addition to the exposure method, which differs depending on the type of system, the printing process and post-processing are also examined. The small system uses a vector-based laser scanning approach, while the large system activates the crosslinking of the photoreactive polymer resins using a dynamic mask approach relying on a moving digital light processing (DLP) projector. The effect of the different exposure systems and post-processing methods on the cross-linking process of the macromolecules, which form a three-dimensional network, will be part of this work. After completion of the first samples, a characterisation of the material properties will be carried out. This includes the tensile test, impact strength test, DMTA measurement and hardness measurement.Once the results have been evaluated, new findings and process technologies for the stereolithographic additive production process can be gained, which will lead to the industrial series production of three-dimensional components with the desired optical, mechanical and chemical properties.

Werkzeuglose, schnelle, individuelle und kostengünstige Fertigung von Prototypen. Diese Eigenschaften sind charakterisierend für die Bauteilherstellung mit 3D Druckern. Die Idee der additiven Fertigung von Bauteilen ist bereits seit den späten 1980er Jahren bekannt, wobei der Prozess der schichtweisen Fertigung der gängige Ansatz in den derzeit verwendeten AM-Technologien ist. Neben dem bekannten Fused Deposition Modeling (FDM) oder Selective Laser Sintering (SLS) Verfahren hat in den letzten Jahren die Technik der Stereolithografie (SLA) ein Revival erfahren. Dabei werden photoreaktive Polymerharze schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen und mittels elektromagnetischer Strahlung (UV/VIS-Licht) polymerisiert. Ursprünglich wurden diese Technologien eingesetzt für die Fertigung von Prototypen und Einzelteilen. Um größere Märkte zu bedienen hat sich der Fokus immer mehr auf die Entwicklung von additiven Produktionsanlagen für die industrielle Serienfertigung verschoben. Die Herausforderung besteht dabei in der Prozessskalierung und den erhöhten Anforderungen an die Materialeigenschaften.Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Optimierung des stereolithographischen additiven Produktionsprozesses zur Verarbeitung von photoreaktiven Polymerharzen auf einer Großanlage. Dabei werden prozesstechnische und werkstoffliche Zusammenhänge der Polymerproben bei einem Anlagenwechsel von einer Kleinanlage (Prototyping, Kleinserien) auf eine Großanlage (Serienfertigung) analysiert und optimiert. Neben der Belichtungsmethodik, die sich je nach Anlagentyp unterscheidet, wird außerdem der Druckprozess und das Postprocessing untersucht. Die Kleinanlage verwendet ein vektorbasiertes Laserscanning-Verfahren, die Großanlage hingegen aktiviert die Vernetzung der photoreaktiven Polymerharze mittels einer dynamischen Maskentechnik, die auf einem beweglichen Digital Light Processing (DLP) Projektors basiert. Die Auswirkung der unterschiedlichen Belichtungssysteme und Postprocessing Verfahren auf den Vernetzungsprozess der Makromoleküle, die sich zu einem dreidimensionalen Netzwerk ausbilden, wird Teil dieser Arbeit sein. Nach Fertigstellung der ersten Proben wird eine Charakterisierung der Werkstoffeigenschaften durchgeführt. Diese beinhaltet die Zugprüfung, Schlagzähigkeitsprüfung, DMTA-Messung und Härtemessung.Nach Auswertung der Ergebnisse können neue Erkenntnisse und Verfahrenstechniken zum stereolithographischen additiven Produktionsprozess gewonnen werden, welche zur industriellen Serienfertigung von dreidimensionalen Bauteilen mit gewünschten optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften führen.