Polymere und Keramiken für die Additive Fertigung – Möglichkeiten und

Herausforderungen

J. Stampfl113.9.2018 PEG 2018

Lithography based AMT in Vienna

PEG 2018 Folie 2

TU Wien (Prof. Liska, Prof. Stampfl, Prof. Ovsianikov)• 35 Mitarbeiter• >15 Patentfamilien, >80 Journal Papers, • 2 ERC (Ovsianikov), CD-Labor, EU-Projekte, …

Lithoz GmbH (ceramics)• 60 Mitarbeiter• Weltmarktführer AM Keramik• Niederlassungen USA, China

Cubicure GmbH (Polymere)• 20 Mitarbeiter

W2P GmbH (Dental)• 15 Mitarbeiter

UpNano (2PP)• 2018, in Gründung

13.9.2018

Additive Fertigung

13.9.2018 PEG 2018 Folie 3www.am-austria.com + initiative@am-austria.com, Sandra Stromberger

Hype oder ...

... Revolution?

Marktgröße

13.9.2018 PEG 2018 Folie 4

Weltweite Umsätze (Millionen US$). Quelle: Wohlers 2018

Filaments20%

Photopolymers37%

Metals16%

LS polymer powders

25%

Others2%

0

1000

2000

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7000

8000

1995

2000

2005

2010

2015

Milli

on U

SD

Products Services

When is AM useful?

PEG 2018 Folie 5

C1: Small parts (with given build platform, many parts can be built in parallel)

C2: Complex geometries (cellular geometries, undercuts, …)

C3: Small lot sizes (small scale series, personalized products, …)

13.9.2018

Applications AM

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Market: 300.000 Aligner per day

Largest and most successful use of AMT

Market capitalization: 20bnUS$

Source: Align Technologies

Digital dentistry

PEG 2018

Chairside intraoral scanners

Labside scanners

13.9.2018 Slide 7

Additive Manufacturing Technology (AMT)

13.9.2018 PEG 2018 Slide 8

• Structuring methods:• Laser-SLA• Digital Light processing• Multi-Photon-Lithography• Benefits of lithography-based AMT:

• High resolution (<100nm)• Tailoring material properties is easy

Lithographie: Laser vs. DLP

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3

45

67

1

2

3

4

5

67 7

1 Dioden-Laser (405nm)2 Strahlaufweitung/Optik3 Laser Scanner4 Beschichtungssystem5 Kippbare Materialwanne6 Bauplattform7 Gedrucktes Bauteil

Digital Light Processing (DLP)Auflösung: ca. 50µmBuilding size: 100mm x 60mm

Laser Vektor-ScanAuflösung: < 20µmBaugröße: 200mm x 100mm

Verbesserung der Präzision

1 Lichtquelle (LED 460nm)2 DMD Chip (Dynamische Maske)3 Optik4 Beschichtungssystem 5 Kippbare Materialwanne6 Bauplattform7 Gedrucktes Bauteil

Printed Parts (Laser)

PEG 2018 10

20µm resolution in polymer parts

13.9.2018

Multiphoton lithography

PEG 2018 Folie 11

Publishing date: Nov. 2016

13.9.2018

Werkstoffe (Keramik)

PEG 2018 Folie 1213.9.2018

Keramische Gusskerne

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Quarz-basierteZusammensetzung

Sehr gute Oberflächenqualität Positive Abgussversuche mit

Stahl (1.4848) und Ni-Basislegierung (Inconel625)

Entfernbar mit üblichenLaugungsmitteln

Material properties

13.9.2018 PEG 2018 14

Material

Al2O3 ZrO245S5

Bioglass® TCP

Measured biaxial bending

strength [MPa]521 [3] 1098 [4] 124 [5] 32

Biaxial bending strength in

literature [MPa]300-580 [1] 1000 42 [2] 24

Density [g/cm³] 3,82 5,9 2,7 3,14

Relative Density [%] 99,6 99,92 > 99 88

Solid loading – green parts

[vol%]50 42 47,7 50

Max. building speed. [mm/h] 9 7 7 7

Source:[1] Verband der Keramischen Industrie e.V., Brevier Technische Keramik, 2003, p.270 [2] L.L. Hench et al., “Properties of bioactive glasses and glass-ceramics”; pp. 355–363 in Handb. Biomater. Prop. Edited by J. Black and G. Hastings. Springer US, 1998[3] R. Felzmann et al., “Lithography-based Additive Manufacturing of Customized Bioceramic Parts for Medical Applications”; in ACTAPRESS, 2013.[4] G. Mitteramskogler et al., “Light Curing Strategies for Lithography- Based Additive Manufacturing of Customized Ceramics”, Euromat 2013[5] R. Gmeiner et al., “Stereolithographic Ceramic Manufacturing of High Strength Bioactive Glass“, accept. & await. publication in Int. J. Appl. Ceram. Tec., 2014[6] M. Pfaffinger et a., „Thermal Dedinding of Ceramic-filled Photopolymers“, Verbundwerkstoffe Symposium 215

Isotropy

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biaxial bending 3-point-bending

Orientation x y z

Weibull 26,00 18,0 9,52 12,45

Bending strength [MPa] 32,10 21,11 22,19 21,64

Isotropic mechanical properties of sintered AMT produced ceramics

Mechanical properties of TricalciumPhosphate

Nichtoxidkeramik (Si3N4)

PEG 2018 Folie 16

Prozess DichteHärte

(HV10) Biaxialfestigkeit[g/cm³] [MPa]

AMT 3.25 1500.5 764Iso-pressed 3.25 1500 770

13.9.2018

Anforderungen Dentalwerkstoffe

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Quelle: Werkstoffkunde in der Zahnmedizin, Rosentritt et al., Thieme Verlag, 2018

Dentin: Biegefestigkeit: 100 MPaE-Modul: 15 GPaBruchzähigkeit 1,5MPa m0,5

Hochfeste Keramiken

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Parameter zur Erreichung hochfester Keramiken:• Kleine Korngröße

(viele Korngrenzen stellen viele Hindernisse für Risswachstum dar)kann erreicht werden durch Verwendung nanoskaliger Pulver und niedriger SintertemperaturNachteil: - Vielfachstreuung und damit schlechte Transluzenz- schlechte Packungsdichte und damit größerer Schrumpf

• Geringe Porosität (wenig Defekte, die möglichst klein sind)Kann durch hohe Sintertemperatur erreicht werden (Problem: Kornwachstum)Restporosität hängt stark von Verarbeitung des Rohmaterials ab(Dispergierung, Pressparameter, homogenes Ausgangspulver, …)

• Einbringen von Rissstoppern (z.B. Fasern)

Eigenschaften LS2

Zusammensetzungmol%

SiO2 68 - 75Li2O 12 - 16K2O 2 - 5Al2O3 1 - 4P2O5 2 - 5

Zusatzkomponenten:

Oxide der ElementeMg, Ce, V, Mn, Er, Tb, Zr

Lithiumdisilikat; Li22SiO2

+ SiO2: GlasphaseKeimbildner

zur Einstellung von FarbeTransluzenzHelligkeitFluoreszenzOpaleszenz

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Frontzahnkrone LiS2

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ThinVeneer mit IPS e.max Press Opal Rohling

M. Temperani, Italy

3D-gedrucktes LiS2

PEG 2018 Folie 21

[mm]

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

0,00

-0,02

-0,04

-0,06

-0,08

-0,1

Hohe Transluzenz

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Charpy Impact Strength

13.9.2018 PEG 2018 Folie 22

SLA FDM SLA SLS Casting

Cha

rpy

Impa

ct S

treng

th [k

J/m

²]

Source: T. Swetly, Capabilities of additive manufacturing technologies (AMT) in the validation at BMW, Rapid. Tech, Mai 2014

Hot Lithography

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• 20µm resolution• 200x100x300mm³ build size• Processing zone up to 100°C• Can process high viscosity resins (20 Pa s)

Cubicure GmbH

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Das TeamDI Robert Gmeiner

CEO, Cubicure GmbH

Dr. Hans LangerCEO, EOS e-Manufacturing Solutions

Dr. Johannes HomaCEO, Lithoz GmbH

DI Johann OberhoferCEO, AMB GmbH

Dr. Johannes PatzerCTO, Lithoz GmbH

Prof. Jürgen StampflHead of AMT group TUW

Why hot lithography?

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Visc

osity

[Pa*

s]

Temperature [°C]

__ TCUA1__ Cubicure LPU-624__ TCUA1-LPU624 50:50 w%__ TCUA1-LPU624 66:34 w%__ TCUA1-LPU624 75:25 w%

Processability

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Duktilität versus Festigkeit

Matrix

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Matrix: UrethanemethacrylateAdditive: High-MW Acrylate

Polymere für AM

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D. Kazmer, Three-Dimensional Printing of Plastics, in: Applied Plastics Engineering Handbook, 2017

Herausforderungen Polymere

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Zielkorridor thermomechanische Eigenschaften:

Zugfestigkeit > 50MPaBruchdehnung > 30%Warmformbeständigkeit >80°CWasseraufnahme <0,5%E-Modul >1500 MPaLangzeitbeständigkeitPreis

AM Austria

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