Lithographiebasierte Generative Fertigung: Verfahren ... Generative Fertigung: Verfahren,...

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Lithographiebasierte Generative Fertigung: Verfahren, Anwendungen und Werkstoffe J. Stampfl 1 Mar. 2016 ERFA AM Leoben

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Lithographiebasierte Generative Fertigung:

Verfahren, Anwendungen und Werkstoffe

J. Stampfl

1Mar. 2016 ERFA AM Leoben

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Market Volume

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 2

Mill

ion

en

Te

ilep

ro J

ah

r

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

Mio

. USD

Products Services

Worldwide revenues (Million US$).

green: Systeme, blue: Services

Source: Wohlers 2014

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Materialverkäufe

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 3

Davon: 298Mio$ Photopolymere

160Mio$ Polymere Lasersintern

50Mio$ Metalle Lasersintern

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Can we 3D-print it?

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 4

Stephansdom 1:400 000

Aerospace Biomedical Industry

nm-scale m-scale

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Internet based manufacturing

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 5

B2C:

• Thingiverse

• Shapeways

B2B:

• Formerly known as

service provider

(Automotive, Product

Development)

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Customized manufacturing

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Market: 100.000 aligners per day

Largest use of AMT

Source: Align Technologies

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Hearing aid shells

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 7

>90% of hearing aid shells are made by AMT

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Dilemma of 3D-Printing

Materials

Geometry

Economics

FDMSLS SLAInkjet Printing

-Brittle

photopolymers

Medium surfaces

+Good precision

+Cheap

+Fast

+Polyamide

+Many metals

+Good precision

-Rough surfaces

+Costly systems

-Slow

+ABS

+PLA

-Poor precision

-Rough surfaces

+Very cheap

Medium build

speed

-Brittle

photopolymers

+Good precision

+Good surfaces

+Cheap

+Relatively fast

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 8

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Additive Manufacturing Technology (AMT)

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Slide 9

• Structuring methods:

• Two photon polymerization,

• Digital Light processing

• Benefits of lithography-based AMT:

• High resolution (<100nm)

• Tailoring material properties is easy

• In-vivo-writing

10mm

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L-AMT in Wien

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 10

TU Wien (Prof. Liska, Prof. Stampfl)• 30 Mitarbeiter AMT Gruppe• >15 Patentfamilien, >70 referierte Journal

Papers, • EU: FP7, H2020, ERC, • National: FFG Leitprojekt, FWF, CD Labor,

Houska Preis• Firmenprojekte Gesamtvolumen >2,25 Mio €:

Lie, CH, D, Il, USA, F

Lithoz GmbH (Keramik)• 90% Exportquote, 25 Mitarbeiter

Cubicure GmbH (Polymere)• 4 Mitarbeiter

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Verfahren

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 11

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DLP

ERFA AM Leoben Folie 12

1

2

3

45

6

1 Light Source (LED 450nm)

2 DMD Chip

3 Optics

4 Coating system

5 Tiltable vat

6 Build platform

Resolution: 40mm

Build-size: 80x45mm²

Build-speed: 10mm/hour

"Lichthärtende Schlicker für die stereolithographische Herstellung von Dentalkeramiken"; US7927538 (B2) 2008

“Device and method for processing light-polymerizable material for the layered assembly of molds”, WO2010045950

“Method and device for generative production of a mould with non-planar layers”, EP2251185 (A1),

“Device and method for processing light-polymerizable material for building up object in layers”, WO2010045951 (A1),

Mar. 2016

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L-AMT in Wien

ERFA AM Leoben Folie 13Mar. 2016

Lithoz GmbH

(Weltmarktführer Keramik 3D-Druck)Cubicure GmbH

Förderung Wirtschaftsagentur Wien

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Two-photon-polymerization

ERFA AM Leoben 14

Voxel(Width ~ 100 nm)

Sun, H.-B.; Kawata, S.Journal of Lightwave Technology; 21; 624-633; (2003)LaFratta, C. N.; Fourkas, J. T.; Baldacchini, T.; Farrer, R. A. Angewandte Chemie, International Edition; 46; 6238-6258; (2007)

Mar. 2016

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Zweiphotonenpolymerisation

Mar. 2016 ERFA AM Leoben 15

TU WienStephansdom

1:400 000

N. Pucher, A. Rosspeintner, V. Satzinger, V. Schmidt, G.

Gescheidt, J. Stampfl and R. Liska, Macromolecules,

42, 6519–6528, (2009).

K. Cicha, Z.Li, K. Stadlmann, A. Ovsianikov, R. Markut-

Kohl, R. Liska, J.Stampfl, J. Appl. Phys. 110, 064911

(2011)

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Fast 2PP writing

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Resin: Methacrylat

Initiator: R1

Writing speed increase:

From 50mm/s to 5000mm/s

3D CAD Model of race car:

Dimensions of

330x130x100µm3

Precision of ±1µm

Fabrication time 4 minutes

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Werkstoffe

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 17

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Ceramics

Ceramic restorations (crowns, bridges):

• Esthetics

• Mechanical properties

• Process time

AMT for digital dentistry

Christian Dopler Laboratory for

Photopolymers in digital and

restorative dentistry (2012-2019)

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 18

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Material properties ceramics

[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, Adv. Engng. Material 2012.

[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

Material

Al2O3 ZrO2 45S5 Bioglass®

Measured biaxial bending strength

(MPa) 516 [3] 1009 [4] 124 [5]

biaxial bending strength in

literature (MPa) 300-580 [1] 1000 42 [2]

Density (g/cm³) 3,82 5,9 2,7

Relative Density (%) 99,6 99,92 > 99

Solid loading – green parts (vol%) 50 42 47,7

Max. building speed. (mm/h) 9 7 7

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 19

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Ceramics

Bioglass

Alumina

Zirconia

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 20

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Polymere

Source: T. Swetly, Capabilities of additive manufacturing technologies (AMT) in the

validation at BMW, Rapid. Tech, Mai 2014

SLA FDM SLA SLS Casting

Ch

arp

y Im

pa

ct S

tre

ng

th [kJ/m

²]

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Commercial SLA resins

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Commercial SLA resins

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 23

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Structure-property relations

Properties of photopolymer Increase

crosslink density

Increase

intermolecular

forces

Increase molecular

weight of

monomers

Glass transition temperature Tg ↑ (+) ↑ (+) ↑ (+)

Impact strength (toughness) ↓ (-) ↑ (+) ↑ (+)

Elastic modulus ↑ (+) ↑ (+) ↑ (+)

Polymerization shrinkage ↑ (-) ↔ ↓ (+)

Processability (viscosity) ↔ ↓ (-) ↓ (-)

Reactivity ↑ (+) ↔ ↓ (-)

Better thermo-mechanical properties (Tg, toughness)

Intermolecular bonding (H-binding)

High molecular weight MwDifficulty processing

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Monomers & Fillers

spacerN

HO

O

O

O

R

N

H

O

OO

O

R

Polyester UMA

Good thermo-

mechanical properties

low shrinkage

Isobornylacrylate (IBOA):IBOA

Reactive diluent

High Tg

Urethane (meth)acrylate (UMA):

Core-Shell particles (CSPs):

soft core

rigid shell

CSP

Toughening agent

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Toughening with CSP

Sample

Nr.

UA

[wt. %]

IBOA

[wt. %]

CSP

[wt. %]

Charpy

[kJ/m²]

Tg tan δ

[°C]

1 88,0 12 - 15,0 69

2 91,0 9 - 39,3 70

3 99,0 1 - 42,1 75

4 86 3 10 57,3 72

Accura X. 37,4 70

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 26

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Formulation 2M

No redardation

Cheap Synthesis

Mechanical Properties

Unique Advantages

Ductility

Formulation 2M + 20% CTA

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 28

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The Scientist, 2004

The Economist, 2010

29

Robotization and automation

help to transform emerging

promising technologies into

economically feasible

industries!

Organ Printing

Mar. 2016 ERFA AM Leoben 29

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Osteochondral Scaffolds

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 30

J-H Shim et al, Biofabrication 8 (2016), 014102

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Osteochondral Scaffolds

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 31

J-H Shim et al, Biofabrication 8 (2016), 014102

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Bovine serum albumin + vinyl ester

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 32

J.Torgersen, X.H.Qin, Z.Li, A.Ovsianikov, P.Gruber, R.

Liska and J.Stampfl, Adv. Func.Mat 2013, DOI:

10:1002/adfm.201203880

BSA-SH: Bovine serum albumin macrothiol

GH-VE: Gelatine hydrolisate vinyl ester

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Biological materials for 3D-environments

Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 33

X 25

Y 00

100 mW

X 15

Y 10

330 mW

• X% Bovine serum

albumin

• Y% Gelatine

hydrolisate

• 75% PBS buffer

• 0.5wt% WSPI

• Suitable for in situ

applications

X 16

Y 09

280 mW

500

µm

500 µm

Qin et al., Manuscript in Preparation

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Summary

FFG Leitprojekt

• L-AMT führend hinischtlich Präzision und

Auflösung

• Herausforderungen liegen vor allem im

Materialbereich

• Prozesseite hat große Fortschritte gemacht

(Durchsatz, Kosten, Zuverlässigkeit)

• Ziel muss es sein, zu produzieren (Biomed,

Individualisierung, Kleinserien, ..)