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Manuel Thomas Rank

• Die additive Fertigung optischer Komponenten kommt dank verfügbarer Drucksysteme und Materialien immer häufiger zur Anwendung. Vor allem mit der UV-basierten Aushärtung von transparenten Harzen können preiswert die Vorteile des 3D-Drucks mit Individualisierung, Realisierung komplexer Geometrien und schnellem Prototypenbau auch im Bereich der Optik umgesetzt werden. Dabei bringt die typischerweise lagenweise und oft auch pixelbasierte Aushärtung der fotosensitiven Materialien Bauteileigenschaften mit sich, die die optische Qualität bzw. Funktion beeinträchtigen. Während auf der Oberfläche auftretende Mängel wie Rauheit oder Treppenbildung bei lagenweiser Annäherung gekrümmter Flächen durch Nachbearbeitung korrigiert werden können, kommt es auch zu optischen Effekten im Material wie bspw. Beugung. Die der Dissertation zugrunde liegende Hypothese ist, dass bei der lokalen, pixelbasierten Aushärtung Brechungsindexunterschiede im Material entstehen, die ein Phasengitter darstellen. VonDie additive Fertigung optischer Komponenten kommt dank verfügbarer Drucksysteme und Materialien immer häufiger zur Anwendung. Vor allem mit der UV-basierten Aushärtung von transparenten Harzen können preiswert die Vorteile des 3D-Drucks mit Individualisierung, Realisierung komplexer Geometrien und schnellem Prototypenbau auch im Bereich der Optik umgesetzt werden. Dabei bringt die typischerweise lagenweise und oft auch pixelbasierte Aushärtung der fotosensitiven Materialien Bauteileigenschaften mit sich, die die optische Qualität bzw. Funktion beeinträchtigen. Während auf der Oberfläche auftretende Mängel wie Rauheit oder Treppenbildung bei lagenweiser Annäherung gekrümmter Flächen durch Nachbearbeitung korrigiert werden können, kommt es auch zu optischen Effekten im Material wie bspw. Beugung. Die der Dissertation zugrunde liegende Hypothese ist, dass bei der lokalen, pixelbasierten Aushärtung Brechungsindexunterschiede im Material entstehen, die ein Phasengitter darstellen. Von Interesse sind dabei auch die Untersuchung unterschiedlicher Harzzusammensetzungen sowie die Auswirkung der UV-Nachhärtung als üblichen Nachbearbeitungsschritt bei harzbasierter additiver Fertigung auf die Brechungsindexverteilung. Zielsetzung der Dissertation ist die hochaufgelöste Analyse des Brechungsindexes im Zusammenhang mit der Aushärtung. Dazu wurde ein Messplatz aufgebaut, der in situ Brechungsindexprofile aufnehmen kann, während die Probe strukturiert und dem 3D-Druckprozess nachempfunden ausgehärtet wird. Das aus der Literatur bekannte Messverfahren Scanning Focused Refractive Index Microscopy (SFRIM), das bisher hochaufgelöste punktbasierte Brechungsindexmessungen über die Totalreflektion eines Lasers an einer Prisma-Probe-Grenzfläche ermöglicht, wurde dabei umfangreich erweitert. Statt punktförmig ermöglicht ein linienförmiger Fokus des Lasers eine hochaufgelöste Brechungsindexprofilmessung über eine Breite von ca. 2 mm in einer Aufnahme und damit Messungen in schneller zeitlicher Abfolge. Um die örtliche und zeitliche Brechungsindexverteilung in Zusammenhang mit der Beugung zu bringen, kann zusätzlich zeitlich parallel zum Aushärte- bzw. Messprozess das Beugungsmuster auf einer Kamera betrachtet werden. Für die Versuche wurden neben kommerziellen Harzen auch eigene Harzmischungen mit variabler Zusammensetzung analysiert. So wurde der Anteil Fotoinitiatoren und UV-Blocker im Harz gegenüber einer Referenzmischung erhöht oder reduziert um Abhängigkeiten zu untersuchen. In mehreren Versuchsplänen wird zuerst die zeitliche Entwicklung bei flächiger Bestrahlung, dann bei strukturierter Bestrahlung mit zusätzlicher flächiger Nachhärtung die örtliche Brechungsindexverteilung betrachtet und zuletzt hinsichtlich der Auswirkungen auf das Beugungsmuster analysiert. Die über den Brechungsindex betrachtete Aushärtung zeigt abhängig von den Bestrahlungsparametern eine initial starke Polymerisationsrate, die auch nach erfolgter Bestrahlung sich dem maximal erreichbaren Brechungsindex asymptotisch annähert. Erwartungsgemäß sorgen höhere Konzentrationen an Harzzusätzen zu schnellerer Aushärtung und umgekehrt. Feine, nicht bestrahlte Strukturen, die von bestrahlten Bereichen umgeben sind, härten durch Streuung und räumliche Ausdehnung der Polymerisation fast gleichzeitig und nur wenig geringer mit aus. Bei kleinen bestrahlten Bereichen mit großen Abständen zueinander bleiben große Brechungsindexunterschiede bestehen. Im Beugungsmuster kommt es so zu schnell schwankenden Intensitäten der Beugungsmaxima. Die Nachhärtung sorgt für eine Annäherung des Brechungsindexes der bestrahlten und nicht bestrahlten Bereiche, die zuvor strukturiert bestrahlten Bereiche sind trotzdem weiterhin erkennbar. Darüber hinaus wurde durch Training und Einsatz eines neuronalen Netzes zur Auswertung der umfangreichen Bilddaten zur Generierung der Brechungsindexprofile eine Zeitersparnis um bis zu zwei Größenordnungen gegenüber dem eigenen, bereits parallelisierten, Auswertealgorithmus erreicht. Mit nur wenigen Millisekunden Rechenaufwand können in Zukunft die Kameradaten live in Brechungsindexprofile umgesetzt werden.…