Robocasting makrozellulare keramische 3D-Gitterstrukturen mit Hohlfilamenten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nahum A. Travitzky
• Subject Area: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Term: from 2012 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 231507867

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Zuge des Forschungsprojektes wurden hochgefüllte und wasserbasierte keramische Pastensysteme aus Al2O3, Si3N4, Kohlenstoff und SiC für das Robocasting entwickelt. Mittels Koextrusion und spezieller Extrusionsdüsen wurden keramische Bauteile mit komplexen Geometrien und mit Voll- und Hohlfilamenten erfolgreich hergestellt. Das Fließverhalten während der Koextrusion sowie die Partikelausrichtung beim Robocasting wurden numerisch und analytisch untersucht. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Herstellung von Robocastingbauteilen mit Hohlfilamenten einfacher realisiert werden konnte als geplant. Das ursprüngliche Konzept der Ablage von selbsttragenden Filamenten konnte zwar erfolgreich demonstriert werden, jedoch besitzt es nicht die notwendige Flexibilität für eine industrielle Anwendung. Hier ist der Grund vor allem die hochfeste Pastenkonsistenz, die die Verarbeitung und Ablagegeschwindigkeit begrenzt. Daher wurde das Konzept der Koextrusion eines ausbrennbaren Kohlenstoffkerns an einem druckluftbetriebenen Koextruder erprobt, welches die genannten Defizite ausgleicht; die Extrusionsgeschwindigkeiten konnten beim Koextrudieren auf 30 mm/s erhöht werden, wobei hier noch Steigerungen möglich sind. Zudem können sehr dünnwandige (~20 µm) und durchgängige Strukturen erzeugt werden. Die Kohlenstoffpaste zeigt ein günstiges Ausbrennverhalten, sodass Hohlfilamente verschiedenster Wandstärken und Gesamtdurchmesser schnell thermisch behandelt werden können. Zudem kann durch Sintern unter Inertgas- Atmosphäre das Koextrudat erhalten bleiben; demonstriert wurde dies durch die beheizbaren Gitter mit leitfähigem Kohlenstoffkern. Verschiedenste Werkstoffkombinationen sind als Koextrudat denkbar. Als kritischer Schritt ist die Pastenaufbereitung anzusehen. Die hier verwendeten Submikron-Pulver neigen zu starker Agglomeration, sodass der Dispergierprozess der qualitätsbestimmende Schritt ist; für ein Scale-up ist hier besondere Vorsicht hinsichtlich des Energieeintrages und der Dispergatorkonzentration geboten. Aufgrund der Partikelausrichtung beim Robocasting zeigten die Voll- und Hohlfilamente sehr heterogene Texturen im Gefüge, wenn plättchenförmige Dotierkristalle eingesetzt wurden. Diese mikroskopischen Texturen können für biomedizinische Anwendungen, wo Leichtbauwerkstoffe mit guten mechanischen Eigenschaften benötigt werden, von großem Interesse sein.

Publications

• Robocasting of alumina lattice truss structures, Journal of Ceramic Science and Technology 3[2]: 81–88 (2012)
  T. Schlordt, F. Keppner; N. Travitzky, P. Greil
  
• Robocasting of alumina hollow filament lattice structures, Journal of the European Ceramic Society 33[15]: 3243–3248 (2013)
  T. Schlordt, S. Schwanke, F. Keppner, T. Fey, N. Travitzky, P. Greil
  
• Additive manufacturing of ceramic-based materials, Journal of Advanced Engineering Materials 16[6]: 729-754 (2014)
  N. Travitzky, A. Bonet, B. Dermeik, T. Fey, I. Filbert-Demut, L. Schlier, T. Shlordt, P. Greil
  
• Micro- and macroscopic design of alumina ceramics by robocasting, Journal of the European Ceramic Society, 37[9]: 3115-3124 (2017)
  Z. Fu, M. Freihart, L. Wahl, P. Greil, N. Travitzky
  
• Robocasting of carbon-alumina core-shell composites using co-extrusion, Rapid Prototyping Journal 23[2]: 423-433 (2017)
  Z. Fu, M. Freihart, T. Schlordt, T. Fey, T. Kraft, P. Greil, N. Travitzky