Ziel dieser Arbeit ist es einen grundlegenden Einblick in die mechanischen Eigenschaften und die chemische Beständigkeit eines Photopolymers, dessen Grundmonomer Bisphenol A Dimethacrylat (Bis-DMA) ist, zu geben. Es wird untersucht, inwiefern sich der Werkstoff nach Einlagerung in verschiedenen Medien verhält und wie das Material degradiert wird. Dazu werden körperähnliche Flüssigkeiten verwendet um einen ersten Eindruck zu erhalten wie sich der Werkstoff, auch in Hinsicht auf Biokomptabilität, verhält.
Photopolymere, basierend auf Acrylharzen, finden immer mehr Anwendung in der 3D-Drucktechnik. Schnelle Verarbeitung, exzellente Oberflächenqualität, hohe Geschwindigkeit und eine niedrige Schichtdicke sind einige Vorteile des neuen Bildprojektionsverfahrens, auch digital light processing (DLP) genannt. Außerdem erhält man das Bauteil direkt aus einer am Computer gefertigten CAD-Datei. Letztendlich kann man mit dieser Technik nur Photopolymere verwenden, die aber, im technischen Sinne, kein neuer Werkstoff sind. Schon in der Antike verwendete man diese Materialien, die unter Sonnenlicht vernetzen, zur Mumifizierung und zur Abdichtung von Schiffen.
Eines der ersten photographischen Bilder basiert auch auf dem Prinzip der Lichtaushärtung. Im medizintechnischen Kontext ist es wichtig, dass diese Materialien nicht toxisch auf den Körper wirken. Als Implantate dürfen diese nicht zytotoxisch, kanzerogen oder genotoxisch sein. Auch als Anwendung außerhalb des Körpers darf keine allergische Reaktion auftreten. Der Werkstoff muss biokompatibel sein. Die heutigen Photopolymere basieren meistens auf Dimethacrylat Basis wie zum Beispiel Bisphenol A Glykoldimethacrylat (Bis-GMA), Triethylenglykoldimethacrylat (TEDGMA) oder Urethandimethacrylat (UDMA) und werden im Dentalbereich angewendet. Viele Studien zeigen, dass sich, nach dem Aushärten Substanzen aus dem Werkstoff, wie Restmonomere, Additive und Verunreinigungen, herauslösen. Diese wiederum sind laut Schmalz toxisch für das umgebende Gewebe und machen so eine medizinische Anwendung kaum möglich. Es besteht nun das Bestreben herauszufinden wie viel sich von diesen Substanzen aus dem fertigen Bauteil herauslösen und wann die Elution abgeschlossen ist. Mit diesen Erkenntnissen kann man dann den Anwendungszeitraum ermitteln und gegebenenfalls den Werkstoff in Hinsicht auf Biokompatibilität modifizieren.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Photopolymere
2.1.1 Photopolymerisation
2.1.2 Anwendung
2.2 3D-Druck
2.2.1 Geschichte des 3D-Druck
2.2.2 Stereolithographie
2.2.3 DLP – Weiterentwicklung der Stereolithographie
2.2.4 Ausblick
3 Material und Methoden
3.1 Material
3.1.1 Bisphenol A Dimethacrylat
3.1.2 Vergleich Bis-A-DMA mit gängigen Kunststoffen
3.1.3 Medien
3.2 Vorversuche
3.2.1 Temperatur
3.2.2 Prüfzeitraum
3.2.3 Trocknungsparameter
3.2.4 Konditionierung
3.3 Charakterisierung Ausgangsmaterial
3.3.1 Gewicht
3.3.2 Optische Analyse
3.3.3 Mechanische Analyse
3.3.4 Immersionsversuch
4 Ergebnisse
4.1 Grundkennwerte der mechanischen Festigkeit
4.1.1 Grundkennwerte des GR-10 Harz
4.2 Einfluss der Einlagerung auf die mechanischen Kennwerte
4.2.1 Echtzeitabbauprüfung
4.2.2 Beschleunigte Abbauprüfung
4.3 Einfluss der Einlagerung auf die Oberflächenbeschaffenheit
4.3.1 Kontaktwinkelmessung
4.3.2 Mikroskopische Analyse
4.4 Einfluss der Einlagerung auf die chemische Beständigkeit
4.4.1 Massenverlust durch Einlagerung
4.4.2 Medienaufnahme nach Einlagerung
5 Diskussion
5.1 Einfluss der Einlagerung auf die mechanischen Kennwerte
5.2 Einfluss der Einlagerung auf die Oberflächenmorphologie
5.3 Einfluss der Einlagerung auf die chemische Beständigkeit
6 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, das Degradierungsverhalten eines neuartigen Photopolymers auf Basis von Bisphenol A Dimethacrylat (Bis-DMA) im Kontext von 3D-Druckanwendungen zu untersuchen. Im Fokus steht dabei die Analyse, wie sich das Material bei Einlagerung in verschiedenen Medien (VE-Wasser, SBF, Ethanol) mechanisch und morphologisch verändert, um Rückschlüsse auf die langfristige Stabilität und potenzielle Biokompatibilität ziehen zu können.
- Grundlagen der Photopolymerisation und 3D-Drucktechnologien
- Mechanische Charakterisierung mittels Zugversuchen
- Untersuchung des Degradationsverhaltens und der Medienaufnahme
- Analyse der Oberflächenmorphologie mittels REM und Lichtmikroskopie
- Evaluierung der chemischen Beständigkeit durch Massenverlustbestimmung
Auszug aus dem Buch
2.2.3 DLP – Weiterentwicklung der Stereolithographie
Das Bildprojektionsverfahren basiert auf der, von Texas Instruments entwickelte, DLP Projektionstechnik. Das Prinzip des DLP ist in Abbildung 3 grafisch dargestellt.
Herzstück dieser Technologie ist ein, von Dr. Larry Hornbeck 1987 entwickelter, optischer Halbleiter. Dieses digital mirror device (DMD) besteht aus bis zu 8 Millionen schwenkbarer Mikrospiegeln, die einzeln ansteuerbar sind und diese erzeugen ein digitales Bild. Für jeden Bildpunkt wird ein Mikrospiegel verwendet, der nur zwei Zustände, nämlich Ein und Aus, kennt. Diese Mikrospiegel werden bis zu 10000-mal in der Sekunde ein- und ausgeschaltet. Dadurch entsteht ein hochauflösendes und kontrastreiches Bild. Wie bei der Stereolithographie wird aus einem flüssigen Polymerbad das Bauteil generiert. Unterschied ist, dass eine komplette Schicht projiziert und ausgehärtet wird. Nach der Aushärtung wird um einen Betrag, der der Schichtdicke entspricht, das Bauteil hochgefahren. Auch die Anordnung der Projektion ist umgekehrt als zur Stereolithographie. Das Bauteil wird kopfüber generiert, dadurch benötigt man keiner Wischer, da der Werkstoff durch den, nach der Aushärtung, vorhandenen Unterdruck, homogen nachfließen kann.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einführung erläutert die Relevanz von Photopolymeren im 3D-Druck und stellt die Forschungsfrage zur Degradation und Biokompatibilität von Bisphenol A Dimethacrylat dar.
2 Stand der Technik: Hier werden die Grundlagen der Photopolymerisation, gängige 3D-Druckverfahren wie Stereolithographie und DLP sowie deren Anwendungsmöglichkeiten in der Medizintechnik beschrieben.
3 Material und Methoden: In diesem Kapitel werden das verwendete Photopolymer, die gewählten Testmedien, der experimentelle Aufbau für die Vorversuche, die Trocknungs- und Konditionierungsparameter sowie die Analyseverfahren (Zugversuch, Mikroskopie) detailliert dargelegt.
4 Ergebnisse: Dieser umfangreiche Teil präsentiert die mechanischen Kennwerte, den Einfluss der Einlagerung auf die Oberflächenbeschaffenheit und die chemische Beständigkeit anhand zahlreicher Diagramme und Versuchsreihen.
5 Diskussion: Die gewonnenen Erkenntnisse werden hier kritisch analysiert, interpretiert und in den Kontext bestehender wissenschaftlicher Studien zur Materialdegradation eingeordnet.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die wesentlichen Erkenntnisse zum Degradierungsverhalten zusammen und gibt Empfehlungen für weiterführende Forschungsansätze und Materialoptimierungen.
Schlüsselwörter
Photopolymere, 3D-Druck, Bisphenol A Dimethacrylat, Bis-DMA, Degradierung, Mechanische Kennwerte, Elastizitätsmodul, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, SBF, Medienaufnahme, Kontaktwinkel, REM, Oberflächenmorphologie, Biokompatibilität
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Degradierungsverhalten eines Photopolymers auf Bis-DMA-Basis, das für 3D-Druckanwendungen, insbesondere in der Medizintechnik, eingesetzt wird.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit deckt die Bereiche Photopolymerisation, additive Fertigungsverfahren, mechanische Werkstoffprüfung sowie die chemische Beständigkeit bei verschiedenen Milieueinflüssen ab.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist es, zu verstehen, wie das Material unter körperähnlichen Bedingungen (z.B. SBF) oder oralen Milieus (Ethanol) altert und wie sich diese Prozesse auf die Stabilität auswirken.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Zur Anwendung kommen Zugversuche zur mechanischen Analyse, REM-Aufnahmen zur Oberflächenuntersuchung, Kontaktwinkelmessungen zur Benetzungsanalyse sowie Massenverlustbestimmungen.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit den Vorversuchen zur Parametrierung, der Charakterisierung des Ausgangsmaterials und der umfassenden Darstellung der Ergebnisse aus verschiedenen Einlagerungsszenarien.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem Photopolymere, Bis-DMA, 3D-Druck, mechanische Festigkeit, Degradation und die Beständigkeit gegenüber verschiedenen flüssigen Medien.
Wie reagiert das Material auf Ethanol im Vergleich zu Wasser?
Während das Material gegen VE-Wasser und SBF eine gute Stabilität zeigt, führt Ethanol bei höheren Temperaturen zu Rissbildungen und einer signifikanten Verschlechterung der mechanischen Kennwerte.
Was lässt sich zur Nachvernetzung des Materials sagen?
Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass die mechanischen Eigenschaften durch nachträgliche Polymerisation bei Wärme und Einlagerung in Medien verstärkt werden können.
- Arbeit zitieren
- Marcel Huszár (Autor:in), 2015, Degradierungsverhalten von Photopolymeren für den 3D-Druck, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/334176
