German Title: 3D Druck mit Licht: Weiterentwicklung von Charakterisierung und Nachhaltigkeit

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Abstract

3D printing has fundamentally reshaped how materials are designed, manufactured, and used. Herein, light-based 3D printing techniques offer unparalleled geometrical freedom, high spatial resolution, and property tunability. However, the rapid development of these technologies faces several challenges that limit their widespread adoption. This doctoral thesis focuses on two of these limitations: the lack of robust methodologies for the mechanical characterization of 3D printed microstructures and the environmental impact of the materials. Thus, this dissertation is structured in two main parts. The first part addresses the development of systematic methodologies for the mechanical characterization of 3D printed microstructures. An improved nanoindentation protocol for characterizing elastomers has been benchmarked and validated using both novel and commercially available polydimethylsiloxane (PDMS)–based materials. The protocol addresses critical challenges associated with adhesion and substrate effects, which are often overlooked in literature. Further, an approach to correlate material composition, 3D printing parameters, and mechanical properties, is presented. This strategy integrates experimental measurements with statistical analysis tools, including full factorial analysis (FFA), revealing parameter interactions. Through this so-called ‘nano-FFA’ approach, it is possible to tune the mechanical properties by optimizing the material composition. The second part investigates sustainable polymers for light-based 3D printing. Lipid-rich feedstocks are employed to design biobased and biocompatible materials, suitable both for macro- and microscale 3D printing. First, vegetable oils are modified through acrylation, enabling their use in digital light processing after adding a photoinitiator. The biocompatibility and enzymatic degradability of the vegetable oil-based materials is studied as well. Next, two microalgae, Odontella aurita and Tetraselmis striata, are identified as microscopic ‘biofactories’ to produce precursors for 3D printing. The microalgae lipid extracts contain chlorophylls and can be functionalized following the same procedure as before. For the first time, microalgae-based materials are used in multiphoton 3D laser printing, solely utilizing the intrinsically–contained chlorophyll derivatives as photoinitiators. Notably, 3D printed microalgae scaffolds are biocompatible. By addressing challenges in the mechanical characterization and the sustainability of 3D printed materials, the results of this thesis pave the way for the next generation of materials that advance 3D printing technologies without compromising the environment.

Translation of abstract (German)

Der 3D Druck hat das Design, die Herstellung und die Anwendung von Materialien grundlegend verändert. Dabei bieten lichtbasierte 3D Druckverfahren eine besonders hohe Auflösung, strukturelle Gestaltungsfreiheit, sowie eine variable Materialeigenschaften. Die rasante Entwicklung dieser Technologien bringt jedoch mehrere Herausforderungen mit sich. Diese Doktorarbeit adressiert zwei der zentralen Aspekte: den Mangel an einer robusten Methode zur mechanischen Charakterisierung von 3D gedruckten Mikrostrukturen sowie die Nachhaltigkeit der für den Druck verwendeten Materialien. Dementsprechend gliedert sich diese Dissertation in zwei Hauptteile. Im ersten Teil werden systematische Verfahren zur mechanischen Analyse entwickelt. Ein optimiertes Protokoll für die Nanoindentation von Elastomeren wurde anhand neuartiger und kommerzieller Polydimethylsiloxan-Systeme validiert. Das Verfahren berücksichtigt Adhäsions- und Substrateffekte, welche in der Literatur häufig vernachlässigt werden. Darüber hinaus wird ein Ansatz vorgestellt, der Materialzusammensetzung, Druckparameter und mechanischen Eigenschaften miteinander verknüpft. Durch die Kombination experimenteller Daten und statistischer Methoden, insbesondere der vollständigen Faktorenanalyse, lassen sich Wechselwirkungen verschiedener Parameter identifizieren und die Materialeigenschaften gezielt variieren (sog. „nano-FFA“ Ansatz). Der zweite Teil widmet sich der Untersuchung nachhaltiger Alternativen für den lichtbasierten 3D Druck. Dabei dienen lipidreiche Rohstoffe als biobasierte und biokompatible Materialien für den 3D Druck auf der Makro- und Mikroskala. Pflanzenöle werden durch eine Acrylierung modifiziert und nach Zugabe eines Photoinitiators 3D gedruckt. Die Biokompatibilität und enzymatische Abbaubarkeit werden experimentell nachgewiesen. Daraufhin werden Mikroalgen als „Biofabriken“ für Lipide untersucht. Dabei werden Odontella aurita und Tetraselmis striata als besonders geeigneten Kandidaten identifiziert. Die Lipidextrakte dieser Mikroalgen werden nach der Funktionalisierung mit Acrylaten erstmals in Multiphotonen 3D Laserdruck verwendet, wobei die enthaltenen Chlorophylle als intrinsische Photoinitiatoren fungieren. Die daraus 3D gedruckten Mikrostrukturen weisen hohe Auflösung und Biokompatibilität auf. Durch die Kombination robuster Charakterisierungsmethoden und nachhaltiger Materialkonzepte leistet diese Dissertation einen wichtigen Beitrag zur Weiter-entwicklung lichtbasierter 3D Drucktechnologien und ebnet den Weg für höhere Leistungsfähigkeit mit ökologischer Verantwortung.