Einfluss von Core-Shell Partikeln auf die Eigenschaften von Materialien für die Stereolithografie

Abstract

Stereolithografie kommt vermehrt zum Einsatz, da die große Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion und die Genauigkeit der gefertigten Teile viele neue Möglichkeiten eröffnen. Es wird sowohl für die Herstellung von Prototypen während der Produktentwicklung als auch für die Fertigung von Teilen für die Endanwendung herangezogen. Limitierender Faktor ist oft die nicht hinreichende Bruchzähigkeit der eingesetzten Photopolymere. Eine Möglichkeit zur Verbesserung dieser Materialeigenschaft bietet die Zugabe von sogenannten Core-Shell Partikeln. Diese bestehen aus einem weichen Kern, umgeben von einer harten Schale. Die Größe dieser Partikel beträgt einige hundert Nanometer. Ziel dieser Arbeit ist die Steigerung der Bruchzähigkeit von Photopolymeren, ohne die übrigen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit in einem Stereolithografieverfahren negativ zu beeinflussen. Es wurden Proben mit Partikeln verschiedener Hersteller in unterschiedlichen Matrixmaterialien hergestellt und charakterisiert. Als Prüfmethoden kamen Zugversuch, Dynamisch-mechanische Analyse, Charpy-Schlagbiegeprüfung und Spannungsrelaxationsmessung zum Einsatz. Die Ergebnisse belegen, dass eine Erhöhung der Bruchdehnung um rund 100 Prozent, bei nur geringer Abnahme der Zugfestigkeit, möglich ist. Weiters konnte eine Verbesserung der Schlagzähigkeit festgestellt werden. Der Speichermodul und die Kriecheigenschaften werden, durch die Zugabe der Partikel, nur geringfügig beeinflusst. Durch die erfolgreiche Herstellung aller Proben mittels Stereolithografie wurde gezeigt, dass die Verarbeitbarkeit der modifizierten Harze erhalten bleibt.

Stereolithography is being used because of its good precision and the increased freedom in the designing process of parts. Therefore, new applications are getting possible. It is used for manufacturing prototypes as well as parts for commercial applications. However, in some cases the usability of this additive manufacturing method is limited by the poor material properties of the photopolymers. Especially the elongation at break is low for some commonly used photopolymers. One possibility for improving this parameter is the use of an impact modifier called core-shell particles. They consist of a soft core and a rigid shell. The size of the particles is several hundred nanometers. The goal of this thesis is to increase the elongation at break of photopolymers while keeping the remaining parameters unchanged. The usability of the resulting materials in a stereolithography process is obligatory. The prepared samples consisted of core-shell particles from two different suppliers combined with three different matrix materials. All samples were manufactured by a stereolithography device. For the characterization of the materials the following methods have been used: tensile test, dynamic mechanical analysis, charpy impact test, stress relaxation test. The results show that the elongation at break can be increased by about hundred percent. The tensile strength goes down slightly. Also, an increase in impact strength was achieved.