Autorin: Fanny Pohontsch

Badbasierte Photopolymerisation (VPP): Mit blauem Licht zu hochkomplexen Strukturen

15. September 2020

2. Station der vierteiligen Fotoserie: Additive Fertigung mit Keramik, (Hart)-Metall und Glas

Nadine Lorenz und Eric Schwarzer-Fischer auf dem Weg zur badbasierten Photopolymerisations-Anlage. Sie stellen die badbasierte Photopolymerisation, kurz VPP, vor.
© Fraunhofer IKTS
Nadine Lorenz und Eric Schwarzer-Fischer stellen die badbasierte Photopolymerisation, kurz VPP, vor.

Wenige Schritte weiter leuchtet aus einem angrenzenden Labor bereits ein gelbes Licht. Es erinnert ein wenig an eine Dunkelkammer, in der Fotos entwickelt werden. Drinnen verabschiede ich mich von Steven. Ich treffe Laborantin Nadine Lorenz und Eric Schwarzer-Fischer, der die neue Kollegin derzeit einarbeitet. Und dann zeigt sich auch, dass der Foto-Gedanke gar nicht so abwegig ist: Hier erfolgt die badbasierte Photopolymerisation (engl. Vat Photo Polymerization, kurz VPP).

Das Verfahren basiert auf der Aushärtung lichtempfindlicher Suspensionen durch selektive Bestrahlung mit blauem Licht und ermöglicht robuste Komponenten mit höchster Komplexität und Güte, wie z. B. spezifische Mikromischer oder personalisierte Knochenstrukturen.    

 

Feedstock-Aufbereitung und Konstruktion

Die VPP ermöglicht Individualbauteile oder Kleinserien für die Medizintechnik, Schmuckindustrie, Mikroreaktions- oder Gerätetechnik. »Heute werden Dreikammer-Fluidmischer testweise aus Aluminiumoxid (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) gedruckt – prädestiniert für den Einsatz bei hohen Temperaturen und aggressiven Medien«, erklärt Eric und zeigt Nadine die Konstruktionsdatei mit der komplexen Struktur.
© Fraunhofer IKTS
Die VPP ermöglicht Individualbauteile oder Kleinserien für die Medizintechnik, Schmuckindustrie, Mikroreaktions- oder Gerätetechnik. »Heute werden Dreikammer-Fluidmischer testweise aus Aluminiumoxid (Al2O3) gedruckt – prädestiniert für den Einsatz bei hohen Temperaturen und aggressiven Medien«, erklärt Eric und zeigt Nadine die Konstruktionsdatei mit der komplexen Struktur.
Innere Kanäle, Freiformflächen und Hinterschneidungen: Diese diffizile Struktur ermöglicht eine optimierte Strömungsführung von Fluiden, z. B. in der Pharmazie, und erlaubt gleichzeitig eine Temperierung, sodass die Fluide in wenigen Sekunden präzise geheizt oder gekühlt werden können.
© Fraunhofer IKTS
Innere Kanäle, Freiformflächen und Hinterschneidungen: Diese diffizile Struktur ermöglicht eine optimierte Strömungsführung von Fluiden, z. B. in der Pharmazie, und erlaubt gleichzeitig eine Temperierung, sodass die Fluide in wenigen Sekunden präzise geheizt oder gekühlt werden können.
Bereits ab dem Zeitpunkt der Feedstock-Synthese arbeitet Nadine unter Gelblicht, das zunächst blaues Licht im Raum filtert. So lässt sich verhindern, dass die photosensitiven Bestandteile vorzeitig reagieren. Für die badbasierte Photopolymerisation mischt Nadine eine Suspension aus dem Basiswerkstoff, einem organischen Bindersystem und Additiven. Hochpräzise träufelt sie die flüssigen Bestandteile mittels einer Pipette in den Mischbecher und fügt Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Pulver hinzu.
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Bereits ab dem Zeitpunkt der Feedstock-Synthese arbeitet Nadine unter Gelblicht, das zunächst blaues Licht im Raum filtert. So lässt sich verhindern, dass die photosensitiven Bestandteile vorzeitig reagieren. Für die badbasierte Photopolymerisation mischt Nadine eine Suspension aus dem Basiswerkstoff, einem organischen Bindersystem und Additiven. Hochpräzise träufelt sie die flüssigen Bestandteile mittels einer Pipette in den Mischbecher und fügt Al2O3-Pulver hinzu.
Gemischt und abgewogen wird nach eigener Formulierung: Neben dem chemischen Zusammenspiel müssen auch Faktoren wie z. B. die Dichte oder der Aggregatzustand des jeweiligen Bestandteils berücksichtigt werden.
© Fraunhofer IKTS
Gemischt und abgewogen wird nach eigener Formulierung: Neben dem chemischen Zusammenspiel müssen auch Faktoren wie z. B. die Dichte oder der Aggregatzustand des jeweiligen Bestandteils berücksichtigt werden.
Damit aus den einzelnen unterschiedlichen Bestandteilen eine homogene Suspension entstehen kann, gibt Nadine keramische Mahlkörper in den Mischbecher.
© Fraunhofer IKTS
Damit aus den einzelnen unterschiedlichen Bestandteilen eine homogene Suspension entstehen kann, gibt Nadine keramische Mahlkörper in den Mischbecher.
Im Hochgeschwindigkeitsplanetenmischer brechen die Mahlkugeln sowohl die Partikel der eingefüllten Medien in feinere Teilchen als auch chemisch bedingte Anziehungskräfte auf. 2000 Mal rotiert der Mischbecher minütlich darin.
© Fraunhofer IKTS
Im Hochgeschwindigkeitsplanetenmischer brechen die Mahlkugeln sowohl die Partikel der eingefüllten Medien in feinere Teilchen als auch chemisch bedingte Anziehungskräfte auf. 2000 Mal rotiert der Mischbecher minütlich darin.
Um das Fließverhalten der hergestellten Suspension zu bestimmen, trägt Nadine eine kleine Materialprobe der Suspension auf die Oberfläche des Rotationsviskosimeters auf.
© Fraunhofer IKTS
Um das Fließverhalten der hergestellten Suspension zu bestimmen, trägt Nadine eine kleine Materialprobe der Suspension auf die Oberfläche des Rotationsviskosimeters auf.
So lässt sich am Bildschirm eine Fließkurve erzeugen, anhand derer Nadine bewerten kann, ob die Suspension die gewünschten Eigenschaften für die bevorstehende Druckaufgabe vorweist.
© Fraunhofer IKTS
So lässt sich am Bildschirm eine Fließkurve erzeugen, anhand derer Nadine bewerten kann, ob die Suspension die gewünschten Eigenschaften für die bevorstehende Druckaufgabe vorweist.
Nadine scheint zufrieden mit dem Messergebnis.
© Fraunhofer IKTS
Nadine scheint zufrieden mit dem Messergebnis.

 

Additive Fertigung von hochkomplexen Strukturen mittels VPP

Eric überträgt die Konstruktionsdatei nun digital auf die VPP-Anlage.
© Fraunhofer IKTS
Eric überträgt die Konstruktionsdatei nun digital auf die VPP-Anlage.
Nachdem die keramische Suspension in die Dosiereinheit gefüllt ist, wird sie automatisch auf eine Glaswanne aufgetragen und über eine Rakel gleichmäßig verteilt.
© Fraunhofer IKTS
Nachdem die keramische Suspension in die Dosiereinheit gefüllt ist, wird sie automatisch auf eine Glaswanne aufgetragen und über eine Rakel gleichmäßig verteilt.
Eric nimmt einen letzten Charakterisierungsschritt vor und bestimmt mit einem Nassfilmkamm die Auftragsdicke. Diese ist entscheidend für die Druckqualität und verhindert z. B. den Einschluss von Luftbläschen.
© Fraunhofer IKTS
Eric nimmt einen letzten Charakterisierungsschritt vor und bestimmt mit einem Nassfilmkamm die Auftragsdicke. Diese ist entscheidend für die Druckqualität und verhindert z. B. den Einschluss von Luftbläschen.
Nicht zu dick und nicht zu dünn sollte die Suspension auf die Wanne aufgetragen werden: Idealerweise liegen die Auftragsdicken in einem Bereich von 175 bis 350 μm.
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Nicht zu dick und nicht zu dünn sollte die Suspension auf die Wanne aufgetragen werden: Idealerweise liegen die Auftragsdicken in einem Bereich von 175 bis 350 μm.
Anschließend können die Parameter, wie die eben gemessene Suspensionsfilmdicke, die Rotationsgeschwindigkeit und die Belichtungsparameter für den Druckprozess je nach Materialspezifikation an der Anlage eingestellt werden.
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Anschließend können die Parameter, wie die eben gemessene Suspensionsfilmdicke, die Rotationsgeschwindigkeit und die Belichtungsparameter für den Druckprozess je nach Materialspezifikation an der Anlage eingestellt werden.
Die bewegliche Bauplattform taucht nun von oben nach unten in die photoreaktive keramische Suspension ein. Der Abstand zwischen Bauplattform und Glaswanne definiert dabei die Schichtdicke im Bauteil und kann zwischen 10 bis 100 μm eingestellt werden.
© Fraunhofer IKTS
Die bewegliche Bauplattform taucht nun von oben nach unten in die photoreaktive keramische Suspension ein. Der Abstand zwischen Bauplattform und Glaswanne definiert dabei die Schichtdicke im Bauteil und kann zwischen 10 bis 100 μm eingestellt werden.
Ist die Bauplattform benetzt und eine definierte Entspannungsphase verstrichen, wird sie selektiv durch die Glaswanne mit sichtbarem Licht bestrahlt, welches durch einen Filmprojektor generiert wird. Damit die Wellenlänge von ca. 452 bis 455 nm nicht zusätzlich von außen eindringen kann und zum ungeplanten Vernetzen der Suspension führt, findet der Druck hinter einer roten Filterscheibe statt. Die Belichtung beobachten wir daher über einen kleinen Bildschirm neben der Anlage – eine darin integrierte Kamera nimmt den Prozess auf.
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Ist die Bauplattform benetzt und eine definierte Entspannungsphase verstrichen, wird sie selektiv durch die Glaswanne mit sichtbarem Licht bestrahlt, welches durch einen Filmprojektor generiert wird. Damit die Wellenlänge von ca. 452 bis 455 nm nicht zusätzlich von außen eindringen kann und zum ungeplanten Vernetzen der Suspension führt, findet der Druck hinter einer roten Filterscheibe statt. Die Belichtung beobachten wir daher über einen kleinen Bildschirm neben der Anlage – eine darin integrierte Kamera nimmt den Prozess auf.
Schicht für Schicht härtet der Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>-Fluidmischer aus. Die Anlage druckt 1 cm in der Stunde. Auf der Bauplattform mit einer Gesamtgröße von 115 x 64 x 150 mm könnten gleichzeitig auch mehrere Bauteile gedruckt werden – je nach Größe des Einzelstücks.
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Schicht für Schicht härtet der Al2O3-Fluidmischer aus. Die Anlage druckt 1 cm in der Stunde. Auf der Bauplattform mit einer Gesamtgröße von 115 x 64 x 150 mm könnten gleichzeitig auch mehrere Bauteile gedruckt werden – je nach Größe des Einzelstücks.
Durch die selektive Belichtung dieser Suspension entsteht nach etwa acht Stunden der Grünkörper des Fluidmischers entsprechend des CAD-Datenmodells: Er baut sich von oben nach unten auf und wird in anschließenden Wärmebehandlungsprozessen entbindert und dicht gesintert.
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Durch die selektive Belichtung dieser Suspension entsteht nach etwa acht Stunden der Grünkörper des Fluidmischers entsprechend des CAD-Datenmodells: Er baut sich von oben nach unten auf und wird in anschließenden Wärmebehandlungsprozessen entbindert und dicht gesintert.