Herstellung feiner Strukturen durch einen Rapid Prototyping Prozess basierend auf elektrophoretischer Abscheidung (EPD)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieser Arbeit war es, die Eignung der EPD zum ortsaufgelösten Formgebungsverfahren in wässrigen Suspensionen zu prüfen und weiter zu entwickeln. Der Versuchsaufbau bestand aus zwei Elektroden, einer Platten- und einer Punktelektrode. Dabei wurde direkt auf die Plattenelektrode, beziehungsweise auf die darauf positionierte Folie abgeschieden. Die Punktelektrode stellt bereits eine Fokussierung des elektrischen Feldes dar, dies wird jedoch um so besser, je näher die Punktelektrode an die Plattenelektrode positioniert wird. Durch das Anlegen der Spannung an die beiden Elektroden kommt es in wässrigen Suspensionen zur Elektrolyse des Wassers und zur Rekombination der einzelnen Ionen, was sich in der Bildung von Blasen äußert. Die Blasen stören zum einen das elektrische Feld und zum anderen werden sie in den Grünkörper eingeschlossen und machen ihn unbrauchbar. Das primäre Augenmerk lag deshalb auf der Untersuchung zur Elimination der Blasenbildung an Punktelektroden in wässrigen Suspensionen. Dazu wurden zunächst Versuche mit Gleichspannung in Verbindung mit chemischen Zusätzen wie Tensid, Hydrochinon oder Natriumbromid durchgeführt. Keine der Substanzen war dabei in der Lage, wirkungsvoll und zuverlässig die Blasenbildung zu unterbinden. Das Hydrochinon lieferte nicht reproduzierbare Ergebnisse. Zusätzlich zur Gleichspannung wurden Spannungspulse untersucht. Diese sind in der Lage, die Blasengröße in einem gewissen Bereich durch die vorgegebene Frequenz zu kontrollieren. Durch die Verwendung von Tensid stellt sich eine Verbesserung ein. Die Blasen völlig zu eliminieren war weder mit Pulsen alleine, noch in Verbindung mit Tensid möglich. Erst der Einsatz von alternierenden Spannungen konnte die Blasenbildung an beiden Elektroden erfolgreich unterbinden. Das dabei verwendete Natriumbromid konnte keinen positiven Beitrag zur Eliminierung der Blasen leisten. Ob die Blasenbildung unterbunden werden kann oder nicht, hängt sehr stark von der verwendeten Frequenz ab. Die Grenzfrequenz, das ist die Frequenz, ab der keine Blasen mehr entstehen, hängt von der Leitfähigkeit der Elektrolytlösung und vom Betrag der verwendeten Spannung ab. für die Spannung -28,5 V in Verbindung mit der Leitfähigkeit 0,25 mS/cm (TMAH-Lösung) lag die kleinste Grenzfrequenzbei 5 Hz. Dagegen betrug die Grenzfrequenz 500 Hz für die Spannung -85,5 V in Verbindung mit der Leitfähigkeit 3,9 mS/cm. Die Vorversuche zum elektrophoretischen Abscheiden wurden mit drei unterschiedlichen Suspensionen durchgeführt, wovon die SM8-Suspension am besten geeignet war. Dies lag daran, dass ihre Viskosität, Leitfähigkeit und das Zeta-Potenzial bereits optimal eingestellt waren. Anhand der Vorversuche an Plattenelektroden wurde ebenfalls die Eignung der alternierenden Spannung zum gleichzeitigen Unterdrücken der Blasenbildung und zum Abscheiden gezeigt. Die Adaption des Verfahrens von den Plattenelektroden hin zur Punktelektrode fand anhand von einer Platten- und einer 500 µm- Punktelektrode statt. Daran wurde gezeigt, dass das Verfahren sehr gut funktioniert und dass die Abscheidungen mit kleinstem Durchmesser dann entstehen, wenn der Abstand zwischen den Elektroden und die verwendete Spannung möglichst klein ausfallen. Hier wurde ebenfalls gezeigt, dass die Oberfläche der Abscheideelektrode glatt sein muss. Die Ergebnisse aus den Abscheideversuchen mit 200 µm Punktelektrode zeigen, dass es möglich ist, sowohl Grünkörper mit Abmessungen ähnlich der Elektrode, als auch mit kleineren Abmessungen abzuscheiden. Einige der Abscheidungen besitzen ein Loch in der Mitte, der von der entstehenden Strömung verursacht wird. Weiterhin wurden mit der 200 µm-Punktelektrode Abscheidungen erzielt, deren Form stark der Zylinderform ähneln, d. h. ihr Rand steigt steil an und an der Spitze entsteht ein Plateau. Es wurde gezeigt, dass mit zunehmender Frequenz der alternierenden Spannung die Größe der Abscheidungen abnimmt, bis irgendwann keine Abscheidung mehr entsteht. Dieses Phänomen ist auf das Trägheitsverhalten der Partikel zurückzuführen. Mit der translatorischen Bewegung der Punktelektrode wurde demonstriert, dass das entwickelte Verfahren auch in der Lage ist, Linien abzuscheiden, die eine Vorstufe des Rapid-Prototyping darstellen. Der Einsatz der 100 µm-Punktelektrode liefert die kleinste Abscheidung, die in dieser Arbeit erzielt wurde. Sie besitzt einen Durchmesser, der lediglich circa 1/3 des Elektrodendurchmessers beträgt, und einen sehr steilen Anstieg, der in der Mitte der Abscheidung in ein Plateau übergeht. Die vorangegangenen Arbeiten, welche sich mit dem elektrophoretischen Abscheiden punktförmiger Grünkörper beschäftigt haben, zeigen, dass normalerweise eine Absenkung der Spannung auch zu einen Grünkörper mit kleinerem Durchmesser führt. Es wurde jedoch das Gegenteil beobachtet. Daraus lässt sich schließen, dass die elektroosmotische Strömung maßgeblich die Größe einer Abscheidung beeinflusst. Anhand einiger Abscheidungen, deren Abscheidespannungspuls kleiner als der Ausgleichsspannungspuls war, lässt sich der nichtlineare elektrophoretische Effekt vermuten. Dem widerspricht die Untersuchung mittels Transmissionselektronenmikroskopie, aus der keine Abhängigkeit der nichtlinearen elektrophoretischen Mobilität vom Quadrat des Partikeldurchmessers hervorgeht. Diese quadratische Abhängigkeit gehört jedoch zum nichtlinearen elektrophoretischen Effekt dazu. Zuletzt wurde gezeigt, dass die an den Punktelektroden entstehende elektroosmotische Strömung sehr stark ausfällt und dadurch das Abscheideergebnis maßgeblich beeinflusst wird. Einige Versuche zeigen, dass die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht zu 100 % gelingt. Dies liegt daran, dass die verwendeten Abstandshalter keine exakte Reproduzierbarkeit zulassen. Die dabei entstehenden geringen Abweichungen wirken sich auf die entstehende Strömung aus und diese wiederum auf den entstehenden Grünkörper. Aus diesem Grund besteht die Notwendigkeit, für die nachfolgenden Untersuchungen einen Aufbau zu entwickeln, bei dem der Abstand reproduzierbar eingestellt werden kann. Mit Hilfe dieses Aufbaus sollte dann die Strömung zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von der für die EPD relevanten Parameter untersucht werden. Diese Untersuchung ist essentiell für das Verständnis der Entstehung der Form eines Mikrogrünkörpers. Wie bereits in den vorangehenden Arbeiten am Lehrstuhl für Pulvertechnologie von Glas und Keramik gezeigt wurde, lassen sich die Elektroden durch Elektrodenarrays ersetzen. Die einzelnen Elektroden lassen sich ein oder ausschalten. Dadurch entsteht eine Art Drucker, der in der Lage ist, gleichzeitig eine größere Fläche zu bedrucken. Um die in dieser Arbeit vorgestellte Punktelektrode zu einem Elektrodenarray zu erweitern, muss zunächst die gegenseitigen Wechselwirkungen der einzelnen Strömungen untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Fast Deposition of Surface Structures by Two-Step EPD. Key Eng. Mat. 412 (2009) 3-8
A. Nold, J. Zeiner, R. Clasen
- Local Electrophoretic Deposition with Coaxial Electrodes. Key Eng. Mat. 412 (2009) 307-312
A. Nold, T. Assion, J. Zeiner, R. Clasen
- Bubble-free electrophoretic shaping from aqueous suspension with micro pointelectrode. J. Eur. Ceram. Soc., Vol. 30 (2010), 2971-2975
A. Nold, R. Clasen
- Electrophoretic deposition as a rapid prototyping method. J. Europ. Ceram. Soc. 30 (2010) 1163-1170
J. Zeiner, A. Nold, T. Assion, R. Clasen
- Strukturierung von Aluminiumoxid mittels ortsaufgelöster elektrophoretischer Abscheidung von Nanopulvern, in J. Kiegesmann (Hrsg.), DKG-Technische Keramische Werkstoffe, HvB-Verlag, ISBN 978-3-938595-00-8, Handbuch der Keramik, 108. Lieferung, S. 3.4.11.1 1-19
A. Nold, R. Clasen
- Untersuchungen zu ortsaufgelösten EPD-Formgebungsverfahren in wässrigen Suspensionen. Dissertation, Universität des Saarlandes, 164 S., 2012
A. Nold
