Kiel University
Faculty of Engineering
Additive and Self-Organised Manufacturing
Dissertation
submitted to obtain the degree of
DOCTOR OF ENGINEERING (DR.-ING.)
Author:
Leonard Siebert
Supervisor:
Prof. Dr. Rainer Adelung
November 2020
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Abstract
The introduction of additive manufacturing in the wake of industry 4.0 is often seen as a substantial part of a new industrial revolution. Automated control for fabricating highly complex geometries out of almost any common engineering material gives rise to a design freedom previously inaccessible. While these engineering materials cover a wide range of beneficial properties, there are design possibilities yet to be explored. Self-organisation phenomena for example have been used to create intricate structures on the nanoscale and to exploit microscale and nanoscale material properties. Naturally, the combination of the macroscopic design freedom of additive manufacturing paired with the nanoscale design possibilities of self-organisation phenomena is very attractive. Therefore, this work deals with the investigation of novel self-organisation phenomena and their application in additive manufacturing.
By employing self-organisation phenomena such as the capillary effect, polymer com- posites with promising qualities for artificial heart valves have been demonstrated. The self-organised growth of metal oxide nanowires from additively manufactured metal mi- croparticle composites led to the rapid development of low power gas sensors for the detection of acetone in breath. The functional and structural properties of self-organised tetrapod-shaped zinc oxide microparticles have also been used to create complex shaped hydrogel composites both by additive manufacturing and a template approach for med- ical applications. Their use prevented spinodal decomposition in immiscible monomer mixtures and they were employed as semiconducting carries for fullerene decoration. The blending of self-reporting polymers with structurally similar, tougher polymers enabled the development of self-reporting microfibres.
The broad range of these applications hints at the potential that remains to be ex- plored for self-organisation, and the examples demonstrated in this work may lead to even more sophisticated applications of self-organisation in additive manufacturing.
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Kurzfassung
Die Entwicklung der additiven Fertigung mit der Industrie 4.0 wird oft als wesentlicher Teil einer neuen industriellen Revolution angesehen. Die automatisierte Steuerung zur Herstellung hochkomplexer Geometrien aus fast allen g¨angigen Konstruktionswerkstof- fen erm¨oglicht eine bis dahin unzug¨angliche Designfreiheit. Obwohl diese Konstruktion- swerkstoffe ein breites Spektrum an vorteilhaften Eigenschaften abdecken, gibt es noch andere m¨ogliche Designtechniken, die noch zu erforschen sind. Selbstorganisationsph¨ano- mene wurden zum Beispiel genutzt, um komplizierte Strukturen auf der Nanoskala zu schaffen, und um mikro- und nanoskalige Materialeigenschaften auszunutzen. Daher ist die Kombination der makroskopischen Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung gepaart mit den nanoskaligen Gestaltungsm¨oglichkeiten von Selbstorganisationsph¨ano- menen sehr vielversprechend.
Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung neuartiger Selbstorganisationsph¨a- nomene und deren Anwendung in additiven Fertigungsverfahren. Unter Ausnutzung von Selbstorganisationsph¨anomenen wie dem Kapillareffekt konnten Polymerkompos- ite mit vielversprechenden Eigenschaften f¨ur k¨unstliche Herzklappen hergestellt werden.
Das selbstorganisierte Wachstum von Metalloxid-Nanodr¨ahten aus additiv hergestell- ten Metall-Mikropartikel-Kompositen f¨uhrte im Rahmen dieser Arbeit zur Entwicklung von Gassensoren mit geringer Leistung f¨ur die Detektion von Aceton in der Atemluft.
Die funktionellen und strukturellen Eigenschaften selbstorganisierter tetrapodenf¨ormiger Zinkoxid-Mikropartikel wurden genutzt, um komplex geformte Verbundwerkstoffe aus Hydrogelen, sowohl durch additive Herstellung als auch als Templatansatz f¨ur mediz- inische Anwendungen herzustellen. Ihre Verwendung verhinderte die spinodale Entmis- chung nicht mischbarer Monomere. Des Weiteren wurden diese Mikropartikel als Hal- bleitertr¨ager f¨ur die Fulleren-Dekoration eingesetzt. Die Mischung von selbstberichtenden Polymeren mit strukturell ¨ahnlichen, aber mechanisch festeren Polymeren erm¨oglichte die Entwicklung von schadensanzeigenden Mikrofasern.
Das breite Spektrum dieser Anwendungen verdeutlicht das noch zu erkundende Po- tenzial der Selbstorganisation und die in dieser Arbeit aufgef¨uhrten Beispiele k¨onnen als Grundlage f¨ur noch anspruchsvollere Anwendungen der Selbstorganisation in der addit- iven Fertigung dienen.
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