Die mechanischen Eigenschaften von Stereolithographiematerialien während der Aushärtung

Abstract

Rapid-Prototyping-Verfahren (RP-Verfahren) ermöglichen eine automatisierte Herstellung von Bauteilen nach CAD-Daten. Insbesondere komplexe Bauteilgeometrien mit Freiformflächen, Hinterschnitten oder Hohlstrukturen können damit deutlich schneller und kostengünstiger hergestellt werden als mit konventionellen Verfahren. Diese, vor allem das Hoch-Geschwindigkeits-Fräsen (HSC, High Speed Cutting), geben jedoch den Maßstab für die Bauteilgenauigkeit und Oberflächengüte vor. Hierin sind die RP-Verfahren noch verbesserungswürdig. Analog zur technischen Lithographie, zum Beispiel bei der Chip-Herstellung, erzeugt in der Stereolithographie ein Laser Strukturen auf einem lichthärtenden Harz (Photopolymer). Diese stellen einen ebenen Querschnitt des Bauteils dar. Um eine Schichtdicke abgesenkt und mit neuem Harz beschichtet, läßt sich darauf der nächste Querschnitt erzeugen. Der schichtweise Aufbau führt zusammen mit der Aushärtungsschwindung zu Verzug. Der Polymerisationsvorgang und das Schwindungsverhalten von Stereolithographieharzen wurden in der Vergangenheit schon vielfältig untersucht. Es gelang jedoch nicht, das unterschiedliche Verzugsverhalten verschiedener Harze mit gleicher Schwindung zu erklären. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß die durch die Schwindung verursachten Eigenspannungen die Verzugsursache sind und erklärt die beim schichtweisen Aufbau wirkenden Verzugsmechanismen sowie den Einfluß von Schwindung und Materialeigenschaften. Weiterhin wird ein epoxidbasiertes Material mit geringem Verzug (Somos 6110 von DSM) mit einem Acrylatharz (Silacur 1485 von Siemens) mit größerem Verzug in dieser Hinsicht verglichen. Die Grundlage stellt eine eigens konstruierte Apparatur zur Untersuchung des Schwindungsverhaltens, der schwindungsbedingten Eigenspannungen und der Materialeigenschaften während der Aushärtung in der Stereolithographieanlage. Als Probekörper dienen Streifen mit einer Länge von 10 mm, einer Breite von 3 mm und einer bestrahlungsabhängigen Dicke von 0,1 bis 0,6 mm. Die Möglichkeiten dieser "Miniaturzugprüfmaschine" wie die Messung der Linearschwindung, die Messung der beim behinderten Schwinden auftretenden Eigenspannungen (Kraftmessung) sowie die Kraftmessung bei Dehnungsbehinderung mit anschließender Entspannung oder überlagerter Dehnung werden vorgestellt. Bei der Messung der Schwindung wird die unterschiedliche Reaktionskinetik der Harzsysteme deutlich: Das Acrylatharz zeigt deutliche Inhibierung durch Sauerstoff, so daß zum Erreichen eines hohen Aushärtungsgrades hohe Bestrahlungsdosen notwendig sind. Das Epoxidharzsystem härtet nach der Belichtung in der Dunkelpolymerisation zu höherer Festigkeit aus als das Acrylatharz. Die Experimente zeigen bei betragsmäßig ähnlicher Linearschwindung deutliche Unterschiede bei den Eigenspannungen von Acrylat- und Epoxidharz beim behinderten Schwinden. Die Kraftmessung mit anschließender Entspannung ähnelt dem Standardkriechversuch und erlaubt die Beschreibung des mechanischen Materialverhaltens mittels des Burgers-Modells zu verschiedenen Aushärtezeiten. Die Parameter des rheologischen Modells sind somit zeitlich veränderlich und folgen dem Reaktionsumsatz. Da das Burgers-Modell je nach Wahl der Parameter sowohl flüssigkeits-ähnliches als auch festkörperähnliches Verhalten darstellt, kann damit das flüssige Photopolymer wie auch die ausgehärtete Schicht beschrieben werden. Die Fließfähigkeit der Harze während des Schwindens ist ausschlaggebend für die Verzugsneigung. Das Somos 6110 bleibt länger fließfähig, entstehende Spannungen können relaxieren und somit keinen Verzug bewirken. Die am Ende höhere Steifigkeit wirkt sich ebenfalls günstig auf die Bauteilgenauigkeit aus. In den Experimenten können lediglich Schichten untersucht werden, das heißt, die über alle Belichtungsspuren gemittelte Linearschwindung und die äußeren Spannungen. Weiterhin können die Materialeigenschaften erst nach dem Ende des Belichtungsvorganges ermittelt werden. Dies erfordert es, die Versuche mittels der Finite-Elemente-Methode zu simulieren, um die Vorgänge während der Belichtung und die Spannungen innerhalb der Schicht zu untersuchen. Dabei ergibt sich neben der Spannungsverteilung innerhalb der Streifen, daß der Einfluß der Querkontraktionzahl gering ist und daß die Viskosität des umgebenden flüssigen Harzes den Zeitpunkt des Auftretens der Linearschwindung der Streifen beeinflußt. Durch Anpassen der Simulation an die Messungen wurden die Materialeigenschaften der Belichtungsstreifen gefunden. Die zeitlichen Verläufe ähneln dabei den über alle Streifen gemessenen. Jedoch sind insbesondere die Viskositäten während der ersten Sekunden nach der Belichtung höher. Das Materialmodell und die Modellierung mittels der FEM werden inzwischen in ähnlicher Weise angewandt, um die Aushärtevorgänge bei Duroplasten mit ähnlicher Problematik (Schwindung, Eigenspannung) zu untersuchen /1/. Beide können aber für alle Werkstoffe mit sich zeitlich ändernden Materialeigenschaften (Alterung, Temperaturabhängigkeit) angewandt werden.

Based on their CAD description, parts can be manufactured automatically by Rapid prototyping processes. Parts with undercuts, hollow structures and free form surfaces especially can be manufactured quicker and cheaper than with conventional process such as high speed cutting. Conventional processes are the benchmark regarding the achievable accuracy, which is still the problem of rapid prototyping. As in the production of micro chips, in stereolithography a laser cures structures on the surface of photocuring resins. These are plain slices of the part, which are lowered so that a new layer of resin can be applied and the next slice cured. The layer wise building of the part together with the polymerisation shrinkage are the reasons for distortion, known as curl. Polymerisation and shrinkage of stereolithography resins have been widely researched. However, there remained no explanation as to the different curl behaviour of different resins. This work shows that the internal stress due to the shrinkage causes distortion and explains the curl mechanisms as well as the influence of shrinkage and material properties. An epoxy based resin (Somos 6110 from DSM) with low curl is compared to an acrylate based material (Silacur 1485 from Siemens) with higher curl. With a newly designed apparatus the shrinkage behaviour, the resulting stress when the shrinkage is hindered as well as material properties of resins can be examined during the curing process. Test geometry strips with a length of 10 mm, a width of 3 mm and a depth between 0,1 and 0,6 mm, according to the exposure, were utilised. The shrinkage measurements illustrate the different reaction kinetics of the two resins. The acrylate shows inhibition by oxygen. To reach proper cure states high exposure is necessary, whereas dark reaction of the epoxy based material leads to a higher stiffness. Although the linear shrinkage is almost the same, the measured stress of the acrylate resin is much higher than that of the epoxy. It is this stress that causes the distortion. Stress measurements with additional relaxation can be used to describe the material properties with the Burgers model at different cure states. The parameters of the model change with time and follow the degree of polymerisation. Since the Burgers model can describe both fluid behaviour and rigid behaviour, it fits the liquid resins as well as the cured layers. The viscosity of the resins during shrinking influences especially the curl behaviour. After the irridiation, the Somos 6110 remains in a liquid state for a longer time, less stress develop and thus less curl. Also the higher stiffness at the end of the reaction reduces the curl. Since the experiments showed the shrinkage behaviour and the material properties only of the whole layer, FEM simulation was used to examine the processes taking place in each single scan track of the laser. This leads to the stress distribution within the layer, the Poisson's ratio and the influence of the viscosity of the uncured resin on the shrinkage of the test parts.