title: Material development for extrusion-based 3D printing
Creators: name: Jin, Minde
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2020
Subjects: subject: 3D printing
subject: extrusion-based 3D printing
subject: material development
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description: Die Motivation für diese Doktorarbeit begründet sich aus dem schnell wachsenden Bereich der additiven Fertigung. Unter den 3D-Drucktechnologien ist die extrusionsbasierte additive Fertigung, auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF), eines der am weitesten verbreiteten Verfahren. Hier bietet ein thermoplastisches Extrusionsverfahren in Kombination mit computergestützter Verarbeitung eine kostengünstige Schicht-für-Schicht-Herstellung von 3D-Druckobjekten. Allerdings besteht ein sehr großer Bedarf an einer gezielten Materialentwicklung für den extrusionsbasierten 3D-Druck. In diesem Zusammenhang behandelt diese Doktorarbeit (i) ein effizientes Material-Screening-Verfahren für die Entwicklung und Prüfung von Polymeren für den extrusionsbasierten 3D-Druck, (ii) die maßgeschneiderte Modifikation von Polypropylen für die extrusionsbasierte additive Fertigung und (iii) eine neue Klasse von (AB)n segmentierten Copolyetherimiden für den 3D- und 4D-Druck. Die Einführung gibt einen kurzen Überblick über gängige 3D-Drucktechnologien mit besonderem Schwerpunkt auf den extrusionsbasierten 3D-Druck. Die Prinzipien, Herausforderungen und am häufigsten verwendeten Polymere werden diskutiert. Ein besonderes Augenmerk wird auf das teilkristalline Polypropylen gelegt, das im extrusionsbasierten 3D-Druck trotz seines herausragenden breiten Eigenschaftsprofils unterrepräsentiert ist. Darüber hinaus werden „Smart Materials“ mit Formgedächtniseffekten für den 4D-Druck vorgestellt. Diese kumulative Doktorarbeit beschäftigt sich mit drei Themen, aus denen bereits zwei Veröffentlichungen und ein Manuskript hervorgegangen sind. Eine Übersicht über die Arbeit und eine Zusammenfassung der wesentlichen Erfolge finden Sie im Kapitel Synopsis. Das erste Thema befasst sich mit der Entwicklung einer effizienten Material-Screening-Methode zur Identifizierung und Optimierung thermoplastischer Polymere für den extrusionsbasierten 3D-Druck. Normalerweise ist das Ausgangsmaterial ein kontinuierliches Filament. Für die Filamentherstellung werden Mengen von mehreren Kilogramm benötigt. Die Lösung dieses Problems wäre ein effizientes materialsparendes Screening- und Testverfahren, das nur 10 bis 50 g erfordert. Dieses Problem wurde in dieser Arbeit angegangen und gelöst, indem kurze Filamentstäbchen mit Hilfe einer Mini-Compoundieranlage und einer Mini-Spritzgießmaschine hergestellt wurden. Die spritzgegossenen Filamentstäbchen wurden anschließend miteinander verbunden und als Druckmaterial im 3D-Drucker verwendet. Außerdem wurde ein spezieller Prüfkörper in Form eines 3D-gedruckten freistehenden Vierkantrohrs (Würfel ohne Boden und Deckel), das nur aus einem einzelnen übereinander gedruckten Linienstapel bessteht, zur Auswertung der entscheidenden Optimierungsparameter der gedruckten Teile, insbesondere dem Verzug und der Haftung der übereinander gedruckten Schichten, entwickelt und verwendet. Durch diese weiterentwickelte Methode werden Zeit- und Materialverbrauch erheblich reduziert. Zur Validierung dieser Methode wurden drei verschiedene Polypropylen zu Filamentstäbchen verarbeitet und mit zwei im Handel erhältlichen PP-Filamenten und einem handelsüblichen ABS-Filament verglichen. Das zweite Thema befasst sich mit der maßgeschneiderten Modifikation von Polypropylen für den extrusionsbasierten 3D-Druck. Polypropylen ist einer der am häufigsten verwendeten teilkristallinen Thermoplaste, wird unter anderem in großen Mengen in Konsumgüter und technischen Produkten eingesetzt und ist daher ein vielversprechender Kandidat für den 3D-Druck. Zu Beginn der Doktorarbeit war jedoch nur eine begrenzte Anzahl von handelsüblichen PP-Filamenten verfügbar und diese verursachten einen relativ hohen Volumenschrumpf und Verzug in den davon 3D-gedruckten Objekten. Daher wurden verschiedene PP-Typen ausgewählt und modifiziert, um den Verzug und die anisotrope Eigenschaft der 3D-gedruckten Objekte durch eine verbesserte Haftung zwischen den Schichten zu verringern. Es wurden zwei im Handel erhältliche Typen von Polypropylen / Ethylen-Random-Copolymere mit geringen Kristallisationsgraden untersucht. Um diese Polymere zu modifizieren, wurde ein β-Nukleierungsmittel als Additiv, mehrere amorphe Polypropylentypen (aPP) und ein lineares Polyethylen mit niedriger Dichte (LLDPE) als Mischungskomponenten ausgewählt und eingearbeitet. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass das Kristallisationsverhalten und der E-Modul des eingesetzten Polypropylens eine wichtige Rolle bei der Verringerung des Verzugs spielen. Eine hervorragende Haftung zwischen den 3D-gedruckten Schichten wurde in Mischungen mit Raco PP/aPP erhalten. Die im Rahmen dieser Arbeit erreichten Erfolge in Bezug auf die Haftung zwischen den Schichten sind mit Hilfe von Zugversuche und der optischen Mikroskopie dokumentiert und anhand des Springens eines 3D-gedruckten Frosches eindrucksvoll demonstriert. Im dritten Thema wurde eine neue Klasse von (AB)n-segmentierten Copolyetherimiden für den 3D- und 4D-Druck entwickelt. Die synthetisierten (AB)n-segmentierten Copolyetherimide bestehen aus Perylen- und Poly(ethylenglykol)-Segmenten und wurden hinsichtlich ihrer thermischen, rheologischen und mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf den 3D-Druck charakterisiert. Die Perylenimidsegmente wirken als reversible physikalische Vernetzungspunkte, die sich bei Temperaturen zwischen 100 und 200 °C reversibel auflösen. Die vorhandene Kristallinität der PEG-Segmente verbessert die Steifigkeit der hergestellten Filamentstäbchen, was für eine reibungslose Förderung der Filamente im 3D-Drucker extrem vorteilhaft ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die synthetisierten (AB)n-segmentierten Copolyetherimiden sich sehr gut 3D drucken lassen, einen geringen Verzug und eine hervorragende Haftung zwischen den gedruckten Schichten aufweisen. Die PEG-Segmente weisen einen niedrigen Schmelztemperaturbereich zwischen 40 bis 60 °C auf und sind bei Raumtemperatur teilkristallin. Diese Eigenschaft qualifiziert sie zur Verwendung als „Switching Domains“ für die Formgedächtnisprogrammierung in 4D-gedruckten Objekten. Die Realisation des Formgedächtniseffektes gelang allerdings erst mit einer Blend Mischung aus zwei synthetisierten (AB)n-segmentierten Copolyetherimiden, in der die thermischen Übergänge über das Mischungsverhältnis eingestellt werden konnten. Durch den 3D-Druck dieser optimierten Blend Mischung wurde der 4D-Druck erfolgreich durchgeführt und demonstriert.