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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
Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 6
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
Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 16
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]
Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 21
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Commercial SLA resins
Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 22
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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
Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 24
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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
Mar. 2016 ERFA AM Leoben Folie 25
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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, ..)