Additive Fertigungsverfahren werden seit ihrer Einführung in den 1980er-Jahren ständig weiterentwickelt. Die Entwicklungen gehen in Richtung funktioneller, immer komplexer werdender 3D-gedruckter Objekte. Ein möglicher Weg zur Herstellung von 3D-Bauteilen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften ist die additive Fertigung aus mehreren Werkstoffen (wird auch als Multimaterial-3D-Druck bezeichnet).
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Vat-Photopolymerisation (engl.: vat für deutsch: Behälter oder Tank) mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen zu verwenden, um die räumliche Kontrolle der mechanischen Eigenschaften zu ermöglichen. Es wurde ein Mehrkomponenten-Photoharz entwickelt, das aus Monomeren auf Acrylat- und Epoxidbasis besteht. Diese Komponenten werden durch zwei unterschiedliche Photoreaktionen ausgehärtet. Der verwendete "Digital Light Processing" (DLP)-Drucker arbeitet mit zwei verschiedenen Wellenlängen, einer im sichtbaren und einer im UV-Lichtbereich. Die Bestrahlung mit sichtbarem Licht soll die radikalische Polymerisation des Acrylats einleiten. Die Bestrahlung mit UV-Licht sollte zur Bildung eines hybriden Netzwerks führen, das aus radikalisch gehärteten Acrylaten und kationisch gehärteten Epoxiden besteht.
Es wurden Initiatoren ausgewählt, die sowohl Photoreaktionen von Acrylat- als auch von Epoxid-basierten Monomeren in den gewünschten Wellenlängenbereichen auslösen. Ihre Anwendbarkeit wurde mittels FTIR-Spektroskopie untersucht und bei ersten Druckversuchen verifiziert. Die selektive Beleuchtung mit einer der beiden Lichtquellen des 3D-Druckers sollte die Steifigkeit des resultierenden Materials zwischen dem weichen Acrylat und dem eher steifen Epoxidnetzwerk einstellen. Die dynamisch-mechanische Analyse ergab eine übereinstimmende Glasübergangstemperatur (Tg) von 20 °C für Proben, die sowohl mit dem reinen Acrylat als auch mit dem dualhärtenden System bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht hergestellt wurden. Dies bestätigt die selektive Aushärtung des Acrylats unter sichtbarem Licht. Der Tg des dualhärtenden Systems verschob sich bei der anschließenden Beleuchtung mit beiden Lichtquellen auf 70 °C. Dieser Anstieg des Tg fällt mit der beobachteten Erhöhung der Steifigkeit von Materialien zusammen, die mit der dualhärtenden Formulierung unter Verwendung beider Lichtquellen gedruckt wurden. Die Probekörper wurden für 2 Stunden bei 120 °C thermisch nachgehärtet, um den Umsatz der Epoxidmonomere zu erhöhen. Die durchgeführten Zugversuche zeigten keine Auswirkungen der Nachhärtungsroutine auf das reine Acrylat, aber signifikante Auswirkungen auf die Proben des Hybridsystems, die mit beiden Lichtwellenlängen beleuchtet wurden. Es kam zu einem Anstieg der maximalen Spannung von 0,5 MPa auf 5,9 MPa sowie zu einem Anstieg der Bruchdehnung von etwa 9,1 % auf ca. 23,7 %. Zur weiteren Demonstration des Prinzips wurden komplexere 3D-Geometrien wie ein Würfel, eine Schachtel und ein Scharnier gedruckt.