Direktinitiierung von Thiol-En Photopolymeren in der Stereolithographie
Holger Leonards
Die Stereolithographie und ihre artverwandten, additiven Fertigungsverfahren, die durch fokussierte UV-Laserstrahlung, räumliche Lichtmodulation oder durch Multiphotonenpolymerisation flüssige Photopolymere selektiv aushärten und 3D-Objekte fertigen können, haben seit Mitte der 80er Jahren ihren Siegeszug als neue und bahnbrechende Technologie angetreten. Insbesondere für die Entwicklung von Prototypen in schnellen Entwicklungszyklen waren diese neuen Verfahren eine deutliche Vereinfachung.
Das Einsatzgebiet der additiven Fertigungsverfahren auf Basis von Photopolymeren wandelt sich hin zur Fertigung von einsatzfähigen Prototypen. Dieser Schritt zu funktionalen Produkten macht es erforderlich, dass die Materialien auch die mechanischen, physikalischen und (bio-) chemischen Anforderungen der jeweiligen Applikationen erfüllen. Dadurch rückt, neben der technischen Entwicklung der Verfahren, die Weiterentwicklung der Materialen ins Interesse von Forschung und Entwicklung.
Lichtinduzierte Reaktionen, wie die Photopolymerisation von (Meth-) Acrylat-, Vinylester oder Epoxidgruppen, gehören in der Stereolithographie bereits zum Stand der Technik. Mit dem Konzept zur Click-Chemie wurden im Jahr 2001 Reaktionstypen zur schnellen und zielgerichteten Synthese von organischen Molekülen beschrieben. Zu den Click-Reaktionen wird auch die Reaktion von Thiolen mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen (En) gezählt. Die als Thiol-En bezeichnete Reaktion kann durch Licht initiiert werden und führt bei polyfunktionalen Monomeren (≥ 2) zu einem Polymer.
In der vorliegenden Arbeit wird der materialwissenschaftliche Ansatz untersucht, derartige Thiol-En Photopolymere zu entwickeln (formulieren) und diese in der Stereolithographie zu verarbeiteten. Analog zum Stand der Technik werden die Materialien zuerst bei gängigen Wellenlängen verarbeitet (Stereolithographie bei λ=355 nm und Projektionsverfahren bei λ~ 400 nm). Aufbauend wurde der technische Ansatz geprüft, Anlagen auf niedrigere Wellenlängen (λ < 300 nm) umzurüsten, um dadurch eine direkte Initiierung der Thiol-En Reaktion (ohne Photoinitiator & Absorber) unter räumlicher und zeitlicher Kontrolle der Polymerisation zu erzielen. Dabei wurde ein neues Prozessregime für die Direktinitiierung der Thiol-En Photopolymere bei 266 nm identifiziert und das zugehörige Prozessfenster für gepulste und Dauerstrich-Laserstrahlquellen beschrieben.
