Hybrid material toughening of photopolymers in 3D printing

Abstract

Stereolithography is the oldest 3D printing technique allowing high spatial resolution and almost arbitrary geometries to be produced. One of the fundamental disadvantages of stereolithography is the limitation to one raw material being processible at the same time. In this work, a new approach for the modification of 3D printed parts is developed by using an innovative hybrid 3D printing system. This machine allows to simultaneously use two separate additive manufacturing processes, namely stereolithography and inkjet printing.In the first part of this work, the stereolithographic process is tested and analysed with respect to the mechanical properties of the produced parts. The resin used is mainly based on monomers and ceramic fillers. This composite material is utilised to print standardised mechanical test specimens. Relevant mechanical parameters in the field of composite materials as well as potential anisotropic behaviour because of varying layer orientation are assessed. Bending and fracture toughness tests yield reasonable results for a composite material (i.e., 6000 MPa for the bending modulus, 60 MPa for 3-point bending strength, 2 % elongation at break, and 1.6 MPa*m(1/2) for fracture toughness, respectively. No indication of anisotropy is found.The second part deals with the application of the hybrid printing system. Different material combinations are tested for the modification of the mechanical properties. The focus is on the improvement of the fracture toughness of inherently brittle composite materials. In contrast to conventional toughening methods, where the composition of the resin is adapted, the toughening effect arises from the combination of two different materials. The underlying material inhomogeneity effect is inspired by biological materials and allows the increase of fracture toughness without the deterioration of strength and stiffness.The hybrid 3D printing system is successfully used to toughen the composite resin. The semi-automatic process enables the production of samples featuring alternating layers of materials with strongly varying mechanical properties. The toughness and elongation at break of testing samples are increased by 70 % and 22 %, respectively under impact loading. Sample behaviour is changed at low deformation rates, displaying stable crack growth. However, bending modulus and yield strength are reduced by 50 % and 12 %, respectively. Hence, the total conservation of the initial properties of the matrix material remains a challenging task for the future. Additionally, suppression of the diffusion between the separate layers leads to the undesired harmonisation of the mechanical properties diminishing the toughening effect.

Stereolithographie ist die älteste 3D-Drucktechnik. und erlaubt den Druck von Bauteilen mit fast beliebiger Geometrie bei herausragender geometrischer Auflösungen und besonders dünnen Schichtdicken. Ein großer Nachteil dieser Technik ist, dass sie auf die Verarbeitung eines Materials zur gleichen Zeit beschränkt ist. Dieser Umstand wird in der vorliegenden Arbeit durch die Verwendung eines neuartigen hybriden 3D-Druckers verändert. Die Maschine vereint den konventionellen Stereolithographieprozess mit dem Tintenstrahldruck. Damit ist die Kombination von zwei unterschiedlichen Materialien, möglich. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der stereolithographische Prozess genauer analysiert. Dies geschieht durch die Herstellung und Testung unterschiedlicher mechanischer Prüfkörper. Das Ausgangsmaterial bildet ein Komposit, mit Monomeren und anorganischem Keramikpulver als Hauptbestandteilen. Mittels Prüfkörpern werden die wichtigsten mechanischen Eigenschaften und potentielle Anisotropie untersucht. Biege- und Bruchmechanikversuche ergeben Werte von 6000 MPa, 60 MPa, 2 % und 1,6 MPa* m(1/2) für Biegemodul, Biegefestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit. Es wurde kein Hinweis auf mechanische Anisotropie gefunden. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Anwendung des hybriden 3D Druckers mit unterschiedlichen Materialkombinationen. Ziel ist es, die Bruchzähigkeit von spröden Kompositwerkstoffen zu verbessern. Dies geschieht durch die Einbringung eines zweiten Materials mittels Tintenstrahldruck. Dadurch ist es möglich einen Werkstoff zu erzeugen, der aus Schichten periodisch wechselnden Materials besteht. Der „material inhomogeneity effect“, der von biologischen Organismen inspiriert ist und auf starke Unterschiede der mechanischen Eigenschaften innerhalb einer Struktur beruht, wird erfolgreich angewendet. Der teilweise automatisierte hybrid 3D Druck erlaubt die Erzeugung von Prüfkörpern mit verbesserter Schlagzähigkeit und Bruchdehnung. Die Schlagzähigkeit und die Bruchdehnung bei hohen Deformationsraten konnten um 70 % und 22 % gesteigert werden. Das Materialverhalten bei niedrigen Deformationsraten änderte sich und zeigte stabile Rissausbreitung. Dennoch wurden Biegemodul und Streckgrenze um 50 % und 12 % verringert. Die vollständige Erhaltung der ursprünglichen mechanischen Eigenschaften des Kompositwerkstoffes stellt somit eine Herausforderung für die Zukunft dar. Außerdem muss die Diffusion zwischen den unterschiedlichen Materialschichten, die zu einer Angleichung der mechanischen Eigenschaften und somit zu einer Verringerung des Zähigkeitsgewinns führt, zukünftig unterdrückt werden.