Maßgeschneiderte Photopolymere für den 3D-Druck

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Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) haben ein Verfahren zur Herstellung von robusten, hochauflösenden 3D-Polymeren entwickelt. Das Verfahren, das helfen könnte, bestehende Einschränkungen für lichthärtende 3D-Druckmaterialien zu überwinden, beinhaltet die Herstellung von Photopolymeren auf Methacrylatbasis, ohne den Härtungsprozess zu beeinflussen.

Die kürzlich in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlichte Forschungsstudie erklärt, wie Photopolymermaterialien nach der Aushärtung mit Licht spröde geworden sind, eine Realität, die den Einsatz der Materialien im 3D-Druck sowie in der Mikroelektronik und Biomedizin deutlich eingeschränkt hat.

Dank des Forschungsprojekts von Robert Liska an der TU Wien gibt es nun aber eine Möglichkeit, „methacrylatbasierte, homogen vernetzte, maßgeschneiderte, zähe Polymere“ herzustellen, die sich für die Herstellung von hochauflösenden Additiven eignen.

Bei der Photopolymer-Lichthärtung wird ein Initiator typischerweise durch Lichtenergie in Radikale gespalten, was zu einer Radikalkettenpolymerisation führt. Dabei „attackieren“ die Radikale das Monomer im Photopolymer (wie z.B. die C=C-Doppelbindung in einer Vinylgruppe), was zur Bildung eines neuen Radikals führt, das dann zum Ausgangspunkt eines wachsenden Polymernetzwerks wird, indem mehr Monomere angegriffen und an diese gebunden werden.

Die Verbesserungen

Im Laufe der Jahre wurde der Prozess der radikalen Photopolymerisation von den Forschern besser beherrschbar gemacht, obwohl diese Fortschritte in der Regel zu Materialien geführt haben, die langsamer zu härten sind. Dies stellt natürlich eine Herausforderung für die additive Herstellung dar, die eine schnelle Aushärtung des Photopolymers erfordert, um wirtschaftliche Produktionszeiten und eine gute Druckqualität zu gewährleisten.

Mit der Zugabe eines esteraktivierten Vinylsulfonatester (EVS) haben die österreichischen Forscher jedoch die Fähigkeit bewiesen, Photopolymere auf Methacrylatbasis herzustellen, die den Härtungsprozess nicht beeinflussen. Die Zugabe von EVS im Photopolymer wirkt als Kettenübertragungsmittel, das leicht einen Teil von sich abspaltet.

Eine Pressemitteilung zur Studie verdeutlicht weitere Aussagen: „Wenn das wachsende Polymernetzwerk EVS anstelle des nächsten Monomers angreift, bildet sich ein Zwischenprodukt und spaltet sich schnell zu einer terminierten Polymerkette im Netzwerk und einem hochreaktiven Radikal (Tosylradikal), das eine neue Kettenreaktion auslöst. Je mehr EVS hinzugefügt wird, desto kürzer ist die durchschnittliche Kettenlänge im Polymernetzwerk.“

Da die kürzeren Polymerketten mobiler sind, wird das Risiko von Rissbildung oder Schrumpfung während des Aushärtungsprozesses verringert, was die Anwendungen für Photopolymermaterialien im 3D-Druck, in der Biomedizin, in der Bioelektronik und anderen Bereichen erhöhen kann.

Um ihre neuartige Methode zu demonstrieren, schufen die Forscher aus einem Methacrylat-Copolymer eine gerüstartige Struktur, in der die einzelnen Schichten eine Dicke von 50 μm hatten und räumlich gut aufgelöst waren. Durch die Zugabe unterschiedlicher Mengen an EVS konnten die Forscher die Materialeigenschaften der Struktur verändern, so dass sie fest, elastisch, schlagfest und mit hoher Zugfestigkeit ist. Die gleiche Struktur ohne EVS war nach der Aushärtung sehr spröde.

Schließlich hat die innovative Weiterentwicklung der Photopolymermaterialien die Türen für die Herstellung von zähen Photopolymeren für eine Reihe von 3D-Druckanwendungen geöffnet, einschließlich der Herstellung von Formgedächtnispolymeren für das Gewebewachstum und Zahnfüllungen.

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