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3D-Druckverfahren für kompakte und mechanisch stabile Formkörper

Kottlorz, Christoph :
3D-Druckverfahren für kompakte und mechanisch stabile Formkörper.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: 3D-Druckverfahren für kompakte und mechanisch stabile Formkörper
Language: German
Abstract:

Der Computer hat die Strategie der Entwicklung neuer Produkte revolutioniert. Mit dem CAD-Verfahren (computer-aided design), können heute virtuelle Modelle in nahezu uneingeschränkter Formvielfalt entworfen werden. Produkteigenschaften müssen aber noch immer an realen Formkörpern evaluiert werden. Dies hat einen Bedarf an schnellen Formgebungsmethoden erzeugt, mit denen Prototypen hergestellt werden können (RP: rapid prototyping).

Diese Arbeit befasste sich mit dem generativen Fertigungsverfahren des 3D-Druck, bei dem werkzeugfrei CAD-Modelle direkt in reale Kunststoffkörper überführt werden. Bei diesem 3D-Druck werden einzelne Querschnitte eines Körpers mit einem computergesteuerten Druckkopf Schicht für Schicht mit einer Tinte in ein Pulverbett eingeschrieben, das von der Tinte verfestigt wird. Die gedruckten Formkörper sind aber noch nicht konkurrenzfähig, da hoch porös und entsprechend instabil. Ziel dieser Arbeit war, mit viel Tinte zu arbeiten, um die Poren im Pulver möglichst zu füllen und die Tinte dann durch Polymerisation im Formkörper zu halten. Mit diesem neuen Verfahren des kompakten 3D-Drucks waren porenarme und stabile Formkörper zu erwarten. Erprobt wurden Tinten auf der Basis von radikalisch polymerisierbaren Monomeren. Zu deren Polymerisation wurde ein zweikomponentiges Initiatorsystem bestehend aus Barbitursäure/Kupfer(II) auf die Anforderungen des kompakten Drucks eingestellt. Vor allem wurden aber neue Pulvertypen mit neuartigen, substruktierten Körnern entwickelt. Die neuen Pulver sollten sich rasch in der Tinte lösen und diese dabei so verdicken, dass sie ortstreu festgehalten wird. Zunächst wurden Aggregatkörner aus sehr viel kleineren Primärkörnern aufgebaut, wobei es darauf ankam, mit speziellen Präparationsmethoden den Aggregatkörnern die Kugelform zu verleihen, die sie beim Rakeln von dünnen Schichten unbedingt brauchen. Diese hochporösen Aggregatpulver nahmen die Tinte sehr schnell auf, die Körner an sich waren aber noch zu instabil. Als zielführender stellten sich Pulverkörner aus zwei Polymeren heraus, wobei dem üblichen Thermoplast ein Elastomer zugesellt wurde. Solche Mikroblend-Körner wurden mit Techniken der Suspensionspolymerisation durch Verfahren der in-situ Copolymerisation hergestellt. Die Körner bestanden zum größeren Teil aus einem weichen Elastomer, einem Polymethylacrylat-co-butylacrylat (PMMAcoPBA). Es nahm die Tinte schnell auf und führte zudem zur Schlagzähigkeit der gedruckten Formkörper. Wunschgemäß konnte mit einer hohen Tintenmenge gearbeitet werden, so verblieben nach dem Druck nur wenige Poren. Formkörper aus dem neuen, kompakten Druckprozess waren erstmals so stabil und dehnbar wie vergleichbare industrielle Kunststoffe.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The computer has revolutionized the strategy of product development. With today’s CAD method (computer-aided design), virtual models can be designed in an almost unlimited variety of forms. But product properties must still be evaluated on real moldings. This generated a need for fast shaping methods to produce prototypes (RP: rapid prototyping). This thesis addresses the additive manufacturing process of 3D printing, where CAD models are converted directly into real polymer parts, without the need of a mold. During 3D printing, individual cross sections of a body are written into a powder bed layer by layer with an ink by using a computer-controlled print head. The powder bed is then solidified by the ink. But the printed bodies are highly porous and accordingly unstable, thus not yet competitive. The aim of this thesis was to work with a lot of ink to fill the pores in the powder as much as possible and then to keep the ink within the body by polymerization. With this new method of compact 3D printing, stable parts of low porosity were expected. Inks based on radically polymerizable monomers were tested. For their polymerization, a two-component initiator system comprising barbituric acid/ copper (II) was adjusted to the needs of compact printing. Above all, new powder types were developed with novel, micro structured grains. The new powders should rapidly dissolve in the ink and thicken it, so that it is held in place. At first, aggregate grains of much smaller primary particles were composed, wherein it was especially important to obtain them in the spherical shape, they absolutely need to successfully spread thin powder layers. These highly porous aggregate powders took up the ink very quickly, but the grains themselves were too unstable. Powder grains of two polymers, wherefore an elastomer was added to the usual thermoplastic, turned out to be promising. Such micro blend beads were prepared by suspension polymerization techniques with methods of in-situ copolymerization. The beads consisted for the greater part of a soft elastomer, a polymethyl methacrylate-co-butyl acrylate (PMMA-co-PBA). It took up the ink quickly and also led to the high impact strength of the printed bodies. As desired, a high amount of ink could be used, thus only few pores remained after printing. Parts produces by the novel, compact printing process were for the first time as stable and ductile as comparable industrial polymers. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie > Fachgebiet Makromolekulare Chemie
Date Deposited: 30 Oct 2014 15:17
Last Modified: 30 Oct 2014 15:17
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40786
Referees: Rehahn, Prof. Dr. M.
Refereed: 7 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4078
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