Erste standardisierte Materialprüfung von 2PP 3D-gedruckten Teilen

Zum ersten Mal wurden die mechanischen Eigenschaften von 2PP 3D-gefertigten Proben im Milli- bis Zentimeter-Bereich mit Hilfe etablierter standardisierter Methoden getestet. Dieser Durchbruch wurde durch die Kombination des schnellsten kommerziell erhältlichen 2PP 3D-Druckers (NanoOne) mit Harzen ermöglicht, die mit sehr hohen volumetrischen Bauraten verarbeitet werden können, was das notwendige Upscaling erlaubte. Die Testergebnisse, die jetzt in Advanced Materials veröffentlicht wurden, zeigen die überlegene Materialqualität der UpPhoto- und UpDraft-Harze im Vergleich zu einem konventionellen Acrylatharz (ETA/TTA). Darüber hinaus sind beide Materialien unmittelbar nach dem Druck vollständig ausgehärtet, sodass eine Nachbehandlung nicht erforderlich ist. 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 die umfassende Studie durch.

Der auf 2-Photonen-Polymerisation (2PP) basierende 3D-Druck ist eine leistungsstarke, hochauflösende Technologie für die additive Fertigung. Die neueste Generation von 2PP 3D-Druckern 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. Standardisierte Methoden zur mechanischen Charakterisierung von 2PP 3D-gedruckten Bauteilen werden daher immer wichtiger. Einem internationalen Team ist es nun erstmals gelungen, standardisierte Prüfverfahren auf (makroskalige) 2PP 3D-Druckteile anzuwenden, z. B. auf 35 mm große Prüfkörper nach ISO-Norm, und damit wertvolle Einblicke in deren mechanische Eigenschaften zu gewinnen.

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.”

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. Dabei handelt es sich um den derzeit schnellsten kommerziell erhältlichen 2PP 3D-Drucker mit einem Druckspektrum von mehr als 15 Größenordnungen bezogen auf das Druckvolumen.

“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 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. Das Team zeigt, was erreicht werden kann, wenn der schnellste 2PP-3D-Drucker mit fortschrittlichen Harzen verwendet wird. Die Tatsache, dass sowohl der Drucker als auch die Harze von UpNano hergestellt und vertrieben werden, bestätigt einmal mehr die Position des Unternehmens als Innovationsführer in diesem Bereich.

Originalpublikation: Approaching Standardization: Mechanical Material Testing of Macroscopic Two-Photon Polymerized Specimens. T. Koch*, W. Zhang, T. T. Tran, Y. Wang, A. Mikitisin, J. Puchhammer, J. R. Greer, A. Ovsianikov*, F. Chalupa-Gantner* & M. Lunzer*. Adv. Mater. 2024, 2308497. DOI: 10.1002/adma.202308497