Stereolithografisch 3D-printen van composieten en gegradeerde materialen

Stereolithografie (SLA) is een additieve fabricagetechnologie die vaak wordt gebruikt voor het printen van complexe 3D-structuren vanwege de lage kosten, hoge snelheid en uitstekende resolutie. Standaard SLA-prints die slechts uit één type polymeerhars bestaan, missen echter vaak de eigenschappen van volledig functionele onderdelen. Dit proefschrift richt zich op het verbreden van het toepassingsdomein van SLA door middel van hoogwaardige composietmaterialen en nieuwe processen om functioneel gegradeerde prints mogelijk te maken.

Wanneer vulstoffen worden gebruikt om de eigenschappen van de fotoharsen te wijzigen, treden er verschillende scenario’s op voor de verstrooiing van licht, afhankelijk van de vulstof en de harseigenschappen. Er werd een aangepaste Lambert-Beer-vergelijking ontwikkeld om deze verschillende scenario's te verenigen. Het resulterende model heeft significante implicaties voor de materiaalkeuze en de optimalisatie van printparameters voor dergelijke composietharsen.

Met behulp van SLA kunnen microfluïdische componenten direct op een printplaat worden geprint om geïntegreerde systemen te realiseren. De huidige SLA-harsen lijden echter onder hun aanzienlijke thermische uitzetting, wat leidt tot problemen met de hechting tijdens temperatuurcycli. Foto-uithardbare composieten met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt werden daarom ontwikkeld om dit hechtingsprobleem aan te pakken door de thermische grensvlakspanning te minimaliseren.

Functioneel gegradeerde materialen krijgen veel onderzoeksinteresse vanwege hun brede toepassingen in biomedische implantaten, sensoren en zachte robots. Standaard SLA-geprinte onderdelen slagen er meestal niet in om meerdere complexe functies te realiseren om aan de vereisten in deze toepassingsdomeinen te voldoen. Door gebruik te maken van een composiet bestaande uit een fotohars en een vulstof, gecombineerd met digitale controle over de lichtblootstelling, werd een nieuwe gradiënt-SLA-strategie ontwikkeld om de porositeit, mechanische eigenschappen en het zwelgedrag binnen de SLA-prints spatiaal te controleren. Deze nieuwe strategie zal bijdragen aan verschillende toepassingen die gegradeerde materialen vereisen, variërend van biomedische toepassingen tot zachte robotica.

Voor de meeste commerciële SLA-printers is het vaak moeilijk (en soms onmogelijk) om de belichtingsparameters per laag in te stellen . Daarom werd een op halftonen gebaseerde grijswaardenbelichting ontwikkeld. Op deze manier kan het toepassingsdomein van SLA bij de fabricage van gegradeerde materialen danig vergroot worden. 1-Bit doorsnedes werden hiertoe omgezet in 'binaire grijswaarden' afbeeldingen (enkel bestaande uit volledig ondoorzichtige of transparante pixels) door middel van pixelcoderingsalgoritmen. Op deze manier kunnen 'echte' grijswaarden nagebootst worden, waardoor FGM's op alle projectie 3D-printers kunnen worden afgedrukt.

De foto-uithardbare composieten en nieuwe gradiënt-gebaseerde SLA-processen die in dit proefschrift werden ontwikkeld, vergroten de functionaliteit van 3D-prints en verbreden het toepassingsdomein van SLA.