Auswahl geeigneter
Werkstoffe
Metalle, Kunststoffe, Keramiken, faserverstärkt, partikelverstärkt, porendurchsetzt - welches Material ist das Richtige für den Einsatzfall und das bevorzugte Verfahren ?
Helfen können hinsichtlich solcher Entscheidungen vergleichende Übersichten über Materialien und deren Eigenschaften. Solche Daten sind in den sogenannten Ashby-Maps zu finden, von denen im Bild ein Beispiel gezeigt ist
Quellen:
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/material-selection-chart
https://en.wikipedia.org/wiki/Material_selection
Eigene Arbeiten
Die Vermeidung des katastrophalen Bruchs ist das Ziel dieser keramischen Entwicklung
Mit Hilfe der Foliengießtechnik
werden keramische Folien hergestellt, die als Substrate
oder Piezoelemente in der Elektronik Verwendung finden.
Es konnte nachgewiesen werden, dass es zudem
mit geeigneten polymeren Zuschlagstoffen und dem bei
Metallen und Polymeren weit verbreiteten Verfahren des
Tiefziehens möglich ist, dreidimensional geformte Keramikfolien zu erzeugen. Diese können zur mechanischen
Stabilisierung als keramische Schalen durch leichte
Faserblöcke, Leichtbetonkörper oder konstruiert poröse
3D-gedruckte Gewölbe unterstützt werden. Auf diesem
Weg entstehen Keramikleichtbauteile die sich besonders
für die Luft- und Raumfahrt aber auch für den mobilen
Bereich eignen.
Stützstrukturen vom 3D-Drucker, gezielt positionierte Porosität um Eigenschaften dort zu erzeugen, wo sie gebraucht werden
Zur Herstellung der keramischen Bauteile wurde als Rapid Prototyping Verfahren das 3D-Drucken und als Maschine eine ZCorp ZP402 verwendet. Mittels 3D-Druckens war es möglich, keramische Modelle und Bauteile ausgehend
von CAD-Konstruktionen und 3D-Scans von Objekten herzustellen.
Verwendet wurden die verschiedensten keramischen Rohstoffe. Die besten Resultate konnten mit Al2O3-Rohstoffen erzielt werden. Diese wurden schließlich mit Schwerpunkt zur Analyse der Möglichkeiten des 3D-Druckens keramischer Objekte herangezogen. Da die klebende Komponente nicht über den Canon-Druckkopf eingebracht werden konnte, wurde sie als Trockenpulver in das keramische Pulver eingemischt. Die Druckerflüssigkeit bestand aus Wasser als Hauptkomponente.
Erwartungsgemäß besaßen die gedruckten Bauteile eine dem schichtweisen Aufbau und dem Zusammenkleben der einzelnen Granulate entsprechende hohe Porosität, die ein recht geringes Festigkeitsniveau zur Folge hatte. Verfahrenstechnisch bedingt waren die Eigenschaften der Bauteile abhängig von der Orientierung des Bauteils im Druckraum. So ergaben sich in z-Richtung des Schichtaufbaus die geringsten (σ0 = 5 MPa), in x-Richtung
des Druckerverfahrweges mittlere (σ0 = 10 MPa) und in y-Richtung des Druckkopfverfahrweges die höchsten Festigkeiten (σ0 = 20 MPa). Die technischen Einsatzfelder von 3D-gedruckten Keramikkörpern liegen aufgrund der Eigenschaften z. B. in den Bereichen Filtration und Knochen-ersatz. Auch sind Bauteilkonstruktionen machbar, die mit anderen traditionellen Verfahren nicht zu erreichen sind. Weitere Einsatzmöglichkeiten dieser Keramiken werden als verschleißfestere Kompositwerkstoffe nach Infiltration
mit Aluminium- und Bronze-Schmelze gesehen.
Tiefziehen keramischer Folien
Es konnte nachgewiesen werden, dass es mit Hilfe des Tiefziehens keramischer Folien möglich ist, dünnwandige dreidimensionale keramische Schalenkörper herzustellen. Als keramische Rohstoffe wurden Al2O3, Al2O3 + ZrO2, ZrO2, SiC, und Si3N4 verwendet. Es wurden Verformungen von bis zu 200% realisiert.
Die Aufgabe in diesem BMBF-Projekt mit dem Förderkennzeichen 1709201 bestand darin, zu untersuchen, ob das Verfahren des Tiefziehens auf keramische Folien zu Herstellung dünnwandiger Bauteile in Form von Schalen erfolgreich angewendet werden kann.
Es wurden Ingredienzien für keramische Rezepturen gefunden, die der Foliengießmasse ausreichende Plastizität analog der Eigenschaften der Metallbleche oder Polymerfolien mitgeben.
Die Keramikfolien wurden nach der Aufbereitung des Schlickers auf einer Foliengießanlage gegossen, getrocknet und verpackt gelagert. Zur Erzeugung einer dreidimensionalen Geometrie wurde die keramische Grünfolie mit Hilfe geeigneter Werkzeuge verformt oder mittels Vakuum in eine Form gesogen.
Es wurden Keramikfolien aus Al2O3, Al2O3 + ZrO2, ZrO2, SiC, und Si3N4 erfolgreich hergestellt und tiefgezogen. Es wurden Verformungen bis zu 200% realisiert.
Die Grünfolien wurden anschließend entbindert und gesintert. Die erreichten Gründichten betrugen bei Al2O3 und Al2O3 + ZrO2 bis zu 90% der theoretischen Dichte. Alle anderen Keramiken erreichten 75%. Die gemessenen Festigkeiten waren unter Berücksichtigung der Porosität im normalen Bereich der Kennwerte.
Die Gefüge zeigten eine sehr gleichmäßige Porengröße und Verteilung. Für mechanisch belastete Bauteile kann die mechanische Steifigkeit und Stabilität durch Hinterfüttern mit z.B. Faserkörpern oder Leichtbeton analog zu Vorgehen bei Kunststoff-Schalen erreicht werden.
Die Bilder zeigen das Tiefziehverhalten der Binder selbst sowie das der keramischen Tiefziehbauteile, die diese Binder enthielten.
