Vat Photopolymerisation – Formgebung von
Kunststoff-Keramik-Kompositwerkstoffen und technischen Keramikbauteilen

Vielseitig

Additive Fertigung von Formen für den Druckguss, Mehrphasen- kompositen oder filigraner Hochleistungskeramiken

Die chemischen und physikalischen Wechselwirkungen zwischen Keramikpartikeln und organischer Harzkomponente sind komplex – das System bei Weitem noch nicht ausentwickelt. Demzufolge liegt der Schwerpunkt unserer Forschung auf der Entwicklung geeigneter Harz-Suspensionen.
Wissen in Organischer Polymerchemie, Festkörper- und Oberflächenchemie sowie über keramische Prozesse sind in unserem Haus vereint, um diese Entwicklung schnell und individuell vorantreiben zu können.
Dabei haben wir natürlich Ihr Ziel im Blick: hochfeste Kompositwerkstoffe bzw. unverzerrte, rissfreie sowie konturscharfe Keramiken mit vorhersagbarer Dichte und Festigkeit.

Neben individueller Material- und Verfahrensentwicklung bieten wir Machbarkeitsstudien sowie A-Z-Bauteilfertigung an. Wir freuen uns über anspruchsvolle Geometrien und/oder physikalische Funktionsvorgaben, egal ob im Bereich des duroplastischen Formenbaus, der Kunststoff-Keramik-Kompositwerkstoffe oder filigraner Struktur- bzw. Funktionskeramik.

Additiver Aufbau

Was ist Vat Photopolymerisation?

Das Verfahren der Vat Photopolymerisation steht originär für den schichtweisen additiven Aufbau von Kunststoff-Körpern. Es lässt sich nach heutigem Stand der Technik aber auch als Vehikel für die Formgebung von Kunststoff-Keramik-Kompositwerkstoffen und als Formgebungsschritt für technische Keramikbauteile nutzen.
„Vat“ steht hierbei für die Wanne, in die eine Masse aus flüssigen organischen Molekülen eingefüllt ist. In dieser Mischung, auch als Harz bezeichnet, besitzen die Moleküle eine metastabile „Sollbruchstelle“, die es erlaubt, dass sie sich im gewünschten Moment – durch einen Energieeintrag in Form elektromagnetischer Strahlung – selektive zu einem festen Polymer vereinen.

Beginnen die ersten Polymerisationsvorgänge anhaftend an einer Bauplattform, die zur Benetzung mit Harzmasse in die Wanne hinein verfahrbar ist, so können nach und nach im Schichtaufbau dreidimensionale Bauteile an dieser Bauplattform wachsen. Sind zuvor keramische Partikel in der Harzmasse dispergiert worden, sind auch sie Bestandteil der duroplastischen Formkörper.

Ablauf

Wie funktioniert Vat Photopolymerisation (VPP) im Detail?

Zunächst wird mit CAD/CAM eine Datei des Volumenkörpers erzeugt, beispielsweise im .stl-Format. Dieses wird in schichtförmige Arbeitspakete unterteilt und so die Anzahl der Druckzyklen sowie Bauplattform- und Strahlverfahrungen festgelegt.

Ein UV-reaktives System besteht aus einem Reaktionsharz (Oligomer/Monomer-Gemisch) und einem Photoinitiator. Die Initiatormoleküle zerfallen durch das Einwirken eines Photons bestimmter Wellenlänge in Radikale, die die Kettenreaktion der Polymerisation anstoßen.
Soll eine mit Keramik-Pulver gefüllte Harz-Suspension verwendet werden sind meist noch Dispergiermittel und Rheologieadditive mit im Spiel. Funktionable Rheologie und Belichtungssensitivität der Suspension muss gewährleistet sein, damit konturscharfe Grünkörper additiv aufgebaut werden können.

Das Bauteil wird auf einer Bauplattform gefertigt, die aus der Wanne mit dem flüssigen Harz gehoben wird. Die Belichtung erfolgt hierbei von unten durch einen transparenten Boden in der Wanne. Aufgebaut wird jeweils eine definierte Schichtdicke (zwischen 30µm und 200µm zu wählen). Das zur Aushärtung nötige UV-Licht wird ortsselektiv auf die Harzoberfläche fokussiert (zunehmend kommen UV-LED kombiniert mit Mikrospiegel-DLP-Technik zum Einsatz). Die verwendete Projektionsoptik ermöglicht prinzipiell ein präzises Aushärten von feinsten Strukturen, wenn Suspensionparameter und Geräteparameter gut ineinandergreifen.
Zwischendurch wird das wachsende Bauteil angehoben und mitsamt der zuletzt ausgehärteten Schicht vom transparenten Boden der Wanne abgelöst – damit Harz nachfließen kann. Anschließend wird der Torso wieder auf Schichtdickenabstand an den Wannenboden herangeführt und die nächste Aushärtebelichtung gestartet.

Die Polymerisationskinetik funktioniert so, dass bei 20 % Monomerenumwandlung zunächst der Gel-Punkt erreicht wird. Ab diesem Punkt nimmt der Polymerisationsgrad zunehmend langsamer zu. Die maximale Umwandlung ist bei etwa 80 % erreicht. Ab diesem Polymerisationsgrad ist die Kinetik so langsam, dass in überschaubarer Zeit keine weitere Umwandlung mehr zu beobachten ist. Werden sehr feste Grünkörper verlangt (z.B. Dentalkomposite), muss die Polymerisation in einem nachgeschalteten Prozess in einer mit UV-Quelle und Spiegeln ausgestatteten Nachhärteeinheit vervollständigt werden.
Ist das Ziel eine organikfreie technische Keramik, wird die ausgeprägte organische Matrix des Grünkörpers durch Entbinderung entfernt und anschließend der poröse Keramikbraunkörper gesintert.

Möglichkeiten

Wofür ist Vat Photopolymerisation besonders geeignet?

Schon der reine duroplastische Teilebau bietet viele Optionen, z. B. zur schnellen, unkomplizierten und preiswerten Ausführung von Gießformen, deren Gestalt bei Bedarf höchsten Ansprüchen an Filigranität gerecht wird.

Feinstrukturierter passgenauer Zahnersatz oder mit Keramik-Fasern gefüllte und so verstärkte Kunststoffbauteile sind zwei Beispiele von Kompositwerkstoffen, die über Harzsuspensionen zugänglich sind. Für Kunststoff-Keramik-Kompositwerkstoffe eignet sich die Methode besonders, da die duroplastische Polymermatrix an sich schon sehr fest ist (Biegefestigkeit: 120 – 160 MPa) und durch die Keramikpartikelfüllung noch an Festigkeit, Härte und Abriebfestigkeit gewinnt.

Vat Photopolymerisation eignet sich insbesondere auch zur Herstellung von kleinen Bauteilen aus technischer Keramik. Die allen Additiven Fertigungsmethoden immanente und auch hier auftretende offenporige Mikrostruktur der fertig gebrannten Keramik kann mit oberflächenchemischem und keramisch-technischem Verständnis optimiert werden (Stellschrauben: Befüllungsgrad der Harzsuspension, Einstellung der Korngrößenverteilung, Wahl eines sinteraktives Materials, Wahl passgenauer Sinterkurven und Postprocessing: Infiltrierungs-/Glasierungsschritte).

Mit diesem angedeuteten Know-how ist es möglich mittels VPP keramische Bauteile herzustellen, die in den Eigenschaften mit konventionell hergestellter Keramik vergleichbar sind.
Ein Einsatz der Vat Photopolymerisation zuzüglich Entwicklungsaufwand rechnet sich für Unikate (individuelle Medizinprodukte) und Kleinserien (z. B. Muster zur empirischen Optimierung der Bauteile vor der Fertigstellung des zeit- und kostenintensiven Spritzguss-Werkzeuges). Die Vorteile des Verfahrens kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn Geometrien realisiert werden, die konventionell nicht zu fertigen sind.

Ansprechpartner

Dr. Axel Pelka
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