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J. Cloos:
"Toughening of photopolymers used for lithography-based additive manufacturing";
Supervisor: J. Stampfl; Inst. für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2021; final examination: 12-22-2021.

Additive manufacturing is one of the fastest-growing industries over the last decade, with endless opportunities to produce complex geometries under simplified conditions. Regarding the stereolithography-based additive manufacturing technology (SLA), mechanical properties of photopolymers need to be further improved as printable highly cross-linked thermosets such as (meth)acrylates tend to be brittle.
This thesis deals with the characterization of different photopolymers to better understand the effect of the cross-linking density on mechanical properties such as strain to fracture and yield stress. A possible transition between the thermosetting and thermoplastic behavior of this material class is investigated. It is assumed that a well-regulated polymer network of difunctional (meth)acrylates with low cross-linking density result in tougher photopolymers. Toughening agents such as core-shell particles (CSP) and thiol-based chain transfer agents are also added to improve the toughness of the photopolymers further. The relation between their toughening effect and yield stress is investigated.
This thesis aims to understand photopolymers' structure-property relationship better to reach an enhanced toughening of photopolymers. It can be shown that the addition of toughening agents improves the toughness of photopolymers. Especially chain transfer agents show a high impact on photopolymers´ toughness and network regulation. The photopolymer´s toughness could be enhanced from nearly 6 MJ/m3 to over 40 MJ/m3. Core-shell particles showed promising toughening effects for brittle materials with lower yield stresses (<40 MPa). It can be highlighted that an increase in yield stress and strain to failure was achieved by functionalizing CSPs with thiol end groups.

Die additive Fertigung ist durch die vereinfachte Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien eine der am schnellsten wachsenden Branchen der letzten Jahre. Bei der auf Stereolithografie basierenden additiven Fertigungstechnologie (SLA) müssen die mechanischen Eigenschaften von Photopolymeren weiter verbessert werden, da druckbare hochvernetzte Duroplaste wie Methacrylate dazu neigen spröde zu sein.
In dieser Arbeit wird der Einfluss der Vernetzungsdichte der Polymere auf die mechanischen Eigenschaften wie Bruchdehnung und Fließspannung untersucht. Der Übergang zwischen dem duroplastischen sowie thermoplastischen Verhalten der Photopolymere wird untersucht. Es wird dabei angenommen, dass regulierte Polymernetzwerke bestehend aus bifunktionellen Methacrylaten mit geringer Vernetzungsdichte zu einer erhöhten Bruchdehnung führen. Zudem wird der Einfluss von Toughening Agents (Core-shell Partikel und Kettenübertragungsmittel) auf die mechanischen Eigenschaften der Photopolymeren untersucht.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Photopolymeren besser zu verstehen, um die materialwissenschaftlichen Entwicklungen auf diesem Gebiet voranzubringen. Es kann gezeigt werden, dass der Zusatz von Toughening Agents die Bruchzähigkeit von Photopolymeren verbessert. Insbesondere Kettenübertragungsmittel zeigen einen hohen Einfluss auf die Bruchzähigkeit sowie Netzwerkregulierung der Photopolymeren. Die Bruchzähigkeit von Photopolymeren konnte von ungefähr 6 MJ/m3 auf über 40 MJ/m3 verbessert werden. Core-shell-Partikel zeigten vielversprechende Zähigkeitseffekte für spröde Materialien mit niedrigeren Streckgrenzen (<40 MPa), da die entsprechende Streckgrenze sowie Bruchdehnung erhöht werden konnten. Es kann hervorgehoben werden, dass die erfolgreiche Funktionalisierung der CSPs mit Thiol-Endgruppen zu einer Erhöhung der Streckgrenze und Bruchdehnung führen konnte.

Additive Manufacturing/Photopolymers