01.11.2019
Turbinenrad

Additiv gefertigtes Turbinenrad aus Siliziumcarbid, hergestellt mittels LSD-print Verfahren

Quelle: Quelle: BAM Fachbereich Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe, in Kooperation mit KYOCERA Fineceramics Precision GmbH

Siliziumkarbid (SiC) ist durch Eigenschaften wie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einen hohen Härtegrad, hohen E-Modul und eine hohe Wärmeleitfähigkeit ein bedeutendes Material im Bereich der technischen Keramik. Siliziumkarbid-Keramiken finden Anwendung in verschiedenen Bereichen wie zum Beispiel in der Herstellung von Schneidwerkzeugen, für mechanisch beanspruchte Bauteile im Leichtbau, für Hochtemperaturanwendungen oder auch für Heizelemente.

Silizium-infiltriertes Siliziumkarbid (SiSiC) ist ein Material, welches durch Infiltrierung von metallischem Silizium in einen porösen Pulverpresskörper aus SiC hergestellt wird. Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das Volumen des Körpers dabei nahezu gleichbleibt. SiSiC weist ebenfalls viele der außergewöhnlichen Eigenschaften von SiC auf und ist eines der am häufigsten genutzten SiC-basierten Materialien. Allerdings sind sowohl SiC als auch SiSiC spröde und hoch abrasive Materialien, wodurch eine Formgebung insbesondere von komplexen Geometrien anspruchsvoll und kostenintensiv wird.

Innerhalb der letzten 20 Jahre haben sich Additive Fertigungstechnologien rasant weiterentwickelt und finden nun ihren Weg in verschiedene industrielle Anwendungen – auch im Bereich der Technischen Keramik. Im Gegensatz zur konventionellen subtraktiven Fertigung werden Bauteile in der Additiven Fertigung aufgebaut, in dem Material in der gewünschten Geometrie schichtweise verbunden wird. Durch die damit einhergehende Flexibilität im Design der Bauteile und der reduzierten Notwendigkeit für den Gebrauch von Werkzeugen im Herstellungsprozess bieten Additive Fertigungstechnologien ein großes Potential für neuartige Anwendungen.

Eine verbreitete Technologie der Additiven Fertigung ist das Binder Jetting Verfahren, in welchem die Form eines Objektes durch das selektive Drucken von einem flüssigen Binder auf dünne aufeinanderfolgende Pulverschichten definiert wird. Die Pulverbettdichte bestimmt dabei auch die Dichte des gedruckten Bauteils, welche häufig unzureichend ist. Um dies zu optimieren, wurde in den letzten Jahren ein Prozess namens Layerwise Slurry Deposition (LSD) entwickelt. Statt trockenem Pulver wird in diesem Prozess eine Keramik-Suspension in dünnen Schichten mit einer Klinge gleichmäßig auf die Bauplattform aufgetragen und anschließend getrocknet. Diese Technik führt zu einer hohen Packungsdichte des Pulvers und des finalen Bauteils und erlaubt darüber hinaus auch die Verarbeitung von Pulvern mit unterschiedlichsten Partikelgrößen. Die Kombination der beiden Prozesse LSD und Binder Jetting wird LSD-print genannt und erhöht wesentlich die Dichte der additiv gefertigten Keramik.

In der vorliegenden Arbeit werden erstmals Ergebnisse der Verarbeitung von SiSiC im LSD-print zur additiven Fertigung von Komponenten mit komplexen Geometrien vorgestellt. Messungen der Dichte haben gezeigt, dass die hergestellten Bauteile eine hohe Pulverpackungsdichte aufweisen und dass die Teile mit geschmolzenem Silizium infiltriert werden konnten, um hochdichtes SiSic zu erzeugen.

Dichte, Mikrostruktur und auch die mechanische Festigkeit des hergestellten Materials waren vergleichbar zu den Eigenschaften von konventionell hergestelltem SiSiC, was den Stand der Technik darstellt und als Vergleich für die Charakterisierung herangezogen wurde.

Additive manufacturing of SiSiC by layerwise slurry deposition and binder jetting (LSD-print)
Andrea Zocca, Pedro Lima, Sarah Diener, Nikolaos Katsikis, Jens Günster
erschienen im Journal of the European Ceramic Society, 2019, Volume 39, Issue 13, Pages 3527-3533
BAM, Fachbereich Keramische Prozesstechnik und Biowerkstoffe