Die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) etabliert sich aufgrund ihrer hohen Auflösung und der Möglichkeit, komplexe Teile zu erzeugen, zunehmend als additive Fertigungstechnologie für die Mikrofabrikation. Bislang war die hohe Auflösung der 2PP auch ihr Engpass, da sie den Durchsatz begrenzt und damit die Anwendung auf die Herstellung von Mikroteilen beschränkt. Daher können die mechanischen Eigenschaften von 2PP-Materialien nur mit nicht standardisierten, spezialisierten Mikroprüfverfahren charakterisiert werden. Dank der jüngsten Fortschritte in der 2PP-Technologie ist es nun möglich, Teile in der Größe von mehreren Millimetern bis hin zu Zentimetern herzustellen, was endlich die Fertigung von Prüfkörpern in Makrogröße ermöglicht.
Inhaltsverzeichnis
1. Der 2PP 3D-Druck
2. Über den Fortschritt
3. Test der mechanischen Eigenschaften
4. Ergebnisse der Materialprüfung
5. 2PP-3D-Druck von UpPhoto
Eine multinationale Zusammenarbeit von Forschenden der Technischen Universität Wien (TU Wien), des California Institute of Technology (Caltech) und der RWTH Aachen sowie Materialexperten der UpNano GmbH führte eine umfassende Studie durch. Die Testergebnisse zeigen eine, so heißt es in der Pressemeldung des Herstellers UpNano, überlegene Materialqualität der UpPhoto- und UpDraft-Harze im Vergleich zu konventionellen Acrylatharz (ETA/TTA). Darüber hinaus sind beide Materialien unmittelbar nach dem Druck vollständig ausgehärtet, sodass eine Nachbehandlung nicht erforderlich ist.
Der 2PP 3D-Druck
Der auf 2-Photonen-Polymerisation (2PP) basierende 3D-Druck ist eine leistungsstarke, hochauflösende Technologie für die additive Fertigung. Die neueste Generation des 2PP-3D-Drucker kombiniert die erreichbare hohe Auflösung mit einer enormen Produktionsgeschwindigkeit (bis zu 450 mm3/h), was die Herstellung großer Strukturen von bis zu mehreren Zentimetern Größe ermöglicht. Dies macht den 2PP 3D-Druck sowohl für industrielle Anwendungen als auch für die Serienfertigung attraktiv.
Forschung erweitert das Potential des 2PP-3D-Drucks über dessen Grenzen
Über den Fortschritt
Bernhard Küenburg, CEO von UpNano, kommentiert diesen bemerkenswerten Fortschritt wie folgt: „Derzeit gibt es keine anerkannte standardisierte Testmethode für mikro- oder nanoskalige 2PP 3D-gedruckte Teile. Aber selbst, wenn es sie gäbe, könnten die mechanischen Eigenschaften eines großformatigen Bauteils nicht einfach von solchen kleinformatigen Proben extrapoliert werden. Daher ist die Arbeit des Teams der TU Wien und ihrer Kollegen ein echter Durchbruch auf dem Weg zur industriellen Anwendung des 2PP 3D-Drucks.“
Test der mechanischen Eigenschaften
In der Studie wurde die Hochskalierbarkeit von drei verschiedenen Photopolymeren unter Verwendung eines 2PP-Systems NanoOne mit hohem Durchsatz und einer Optik mit geringer numerischer Apertur untersucht. Das Team stellte Prüfkörper im cm-Bereich her und prüfte mit gängigen oder sogar standardisierten Materialprüfmethoden, die in konventionell ausgestatteten Polymerprüflabors verfügbar sind.
Das Team konnte eine Vielzahl mechanischer Eigenschaften des 2PP 3D-gedruckten Materials testen, darunter Zug-, Biege- und Härteeigenschaften sowie Kriech- und Bruchverhalten. Die verwendeten Materialien waren ETA/TTA –ethoxyliertes (20/3)-Trimethylolpropantriacrylat (ETA) in Kombination mit Trimethylolpropantriacrylat (TTA) – und zwei kommerziell erhältliche Materialien der UpNano GmbH, UpPhoto und UpDraft.
Um die für große Proben erforderliche Produktionsgeschwindigkeit zu erreichen, verwendete das Team 10x- oder 5x-Objektive, die auf einem NanoOne-Drucker von UpNano montiert waren. Der NanoOne ist einer der derzeit schnellsten kommerziell erhältlichen 2PP-3D-Drucker mit einem Druckspektrum von mehr als 15 Größenordnungen bezogen auf das Druckvolumen.
Ergebnisse der Materialprüfung
„Eines der bemerkenswertesten Ergebnisse, das wir erzielt haben“, erklärt Markus Lunzer, Team Lead Materials and Application bei UpNano und Letztautor der Studie, „ist, dass von den drei untersuchten Materialien nur UpPhoto und UpDraft für ein Upscaling geeignet sind. Dies war auf ihr breites Verarbeitungsfenster und ihre insgesamt ausgewogenen Eigenschaften zurückzuführen. ETA/TTA hingegen erwies sich aufgrund des engen Verarbeitungsfensters, der spannungsinduzierten Mikrorissbildung und der insgesamt geringen Zähigkeit des Endprodukts als ungeeignet.“
Darüber hinaus zeigte die Untersuchung der Bruchbereiche, dass die Nähte, die für den großflächigen 2PP-Druck entscheidend sind, keine Schwachstellen in den Prüfkörpern verursachen.
2PP-3D-Druck von UpPhoto
Darüber hinaus hatte der 2PP-3D-Druck von UpPhoto und UpDraft gegenüber anderen lichtbasierten 3D-Druckverfahren den Vorteil, dass die Teile direkt nach dem Druck vollständig ausgehärtet und damit robust waren. Eine Nachhärtung war nicht notwendig. Dies ist insbesondere für den 3D-Druck von mikrofluidischen Bauteilen ein großer Vorteil, da so komplexe interne Mikrokanalstrukturen hergestellt werden können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die jüngste Veröffentlichung den Weg für die Etablierung des 2PP-3D-Drucks als Fertigungsverfahren für die Massenproduktion ebnet, indem sie Materialprüfverfahren festlegt, die den ISO-Normen entsprechen können. (vk)
aktualisiert und ergänzt am 04.03.2024 (eve)
