Herstellung keramischer Komposite über den pulverbasierten Multi-Material 3D-Druck

Publication date
2017
Document type
PhD thesis (dissertation)
Author
Polsakiewicz, Dominik
Advisor
Krüger, Klaus
Referee
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2017-10-20
Organisational unit
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Binder Jetting
Komposite
3D-Druck
Keramik
Abstract
Der Einsatz additiver Fertigungstechnologien zur Herstellung technischer Bauteile gewinnt in den letzten zwei Jahrzehnten rasch an Bedeutung. Die hohe Flexibilität und Komplexität additiver Verfahren ermöglicht in vielen Industriezweigen schnellere Entwicklungszyklen oder neue Produktdesigns. Auch in der keramischen Industrie gewinnt die additive Fertigung immer mehr an Bedeutung. Mittels zahlreicher Verfahren, unter anderem den pulverbasierten 3D-Druck, können überwiegend monolithische Keramiken verarbeitet werden. Die Möglichkeiten zur Erzeugung mehrphasiger keramischer Strukturen über den pulverbasierten 3D-Druck sowie das grundlegende Verständnis hinsichtlich der zahlreichen Einflussfaktoren im Prozess ist jedoch noch limitiert. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit dem Aufbau eines neuen Verfahrens zur Erzeugung mehrphasiger keramischer Strukturen direkt im pulverbasierten 3D-Druck. Das neue Verfahren basiert auf der Kombination zweier bereits bekannter Verfahren, dem pulverbasierten 3D-Druck und dem direkten Tintenstrahldruck partikelbeladener keramischer Suspensionen. Zuerst werden der Aufbau einer neuen Maschine für den Prozess sowie ein geeigneter Prozessablauf beschrieben. Im nächsten Schritt erfolgt die Auswahl von Al2O3-Pulvern aus unterschiedlichen Mischungen basierend auf prozessunabhängigen Charakterisierungsmethoden. Weiterhin wird eine adaptierte Untersuchungsmethode zur Charakterisierung der Al2O3-Keramik im Prozess beschrieben und die gefunden Ergebnisse in Relation zu eingesetztem Werkstoff und Prozess gebracht. Im nächsten Abschnitt wird eine geeignete Tinte für den Druckprozess hergestellt und ein Arbeitspunkt für den Druckvorgang identifiziert. Über ein neu aufgebautes Prüfverfahren werden die Wechselwirkungen zwischen Pulveroberfläche und gedruckter Tinte mit dem Ziel bewertet, eine optimale Auflösung für den Druckprozess zu bestimmen. Daraufhin erfolgt der Druck einphasiger Al2O3-Strukturen mit in Abhängigkeit der Prozessparameter variierenden Eigenschaften. Die Herstellung einer Partikeltinte aus ZrO2, die Herstellung oxidkeramischer Komposite aus Al2O3 und ZrO2 sowie deren Beurteilung werden im Anschluss beschrieben. Die hergestellten Strukturen zeigen in Ihrer Ausprägung die enorme Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen Pulver und Tinte für den Prozess auf. Zwei zusätzliche experimentelle Untersuchungsreihen zur gezielten Steigerung der mechanischen Eigenschaften mehrphasiger Keramiken über das neue Verfahren sowie die Herstellung von gezielt leitfähigen Glaskeramik-Metall-Strukturen zeigen im Anschluss das Potential des keramischen Multi-Material 3D-Drucks für zukünftige Untersuchungen und Anwendungen auf.
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