Filigrane freistehende Strukturen aus gesintertem Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid verschiedener Formen und Größen mit einer Auflösung im Sub-Mikrometerbereich, (ol) Bus, (or) BAM-Fred, (ul) Test-Artefakt, (lr) hohl gedruckte SchwarzP-Struktur
Quelle: BAM
Additive Fertigung oder der 3D-Druck ermöglicht die Fertigung von Bauteilen mit Geometrien, die mit konventionellen Herstellungsmethoden nicht erreicht werden könnten. Speziell die Formgebung von technischer Keramik ist bereits konventionell schwierig, aber ihre inhärenten Eigenschaften sind für technische und medizinische Anwendungen besonders interessant. Diese können ihre thermische oder mechanische Stabilität sein, ihre chemische und Abrasionsbeständigkeit sowie ihre einzigartigen elektrischen Eigenschaften und Biokompatibilität.
Additive Fertigung von Keramik ist ein aufsteigendes Forschungsgebiet und auch in der industriellen Entwicklung angekommen, allerdings lassen sich keramische Bauteile nicht mit der 3D-Druck-Technik mit der höchsten Auflösung, der Zwei-Photonen-Polymerisation, fertigen. Dieses lichtbasierte Verfahren benötigt transparente Suspensionen. Diesem stehen allerdings keramische Schlicker diametral gegenüber, welche durch die für die Keramikherstellung benötigten Keramikpartikel opak sind. Durch den Einsatz von Nano-Partikeln mit einer Größe von nur 5nm wird die Streuung an den Partikeloberflächen so stark reduziert, dass ein transparenter Schlicker mit eine Keramik-Gewichtsanteil von bis zu 80% entsteht.
Dieser Schlicker erlaubt die Herstellung von filigranen Yttrium-stabilisierten Zirkonoxid-Strukturen mit einer Auflösung von 500nm, welche bis dato unerreicht war mit pulverbasierten Techniken für technische Keramik. Gesinterte Strukturen haben, teilweise durchs Design, geringere Dichten als konventionell hergestelltes Zirkonoxid, aber ihre Druckfestigkeit von bis zu 4,5 GPa ist äquivalent, wenn nicht sogar höher als ihr konventionelles Gegenstück.
Eine neue Dimension des 3D-Drucks ist nun für technische Keramik zugänglich und öffnet damit die Möglichkeiten die mechanischen Eigenschaften von technischer Keramik durch das Design zu verändern, ein keramisches Meta-Material ist entstanden.
Entering a New Dimension in Powder Processing for Advanced Ceramics Shaping
Johanna Christiane Sänger, Brian Richard Pauw, Birte Riechers, Andrea Zocca, Julian Rosalie, Robert Maaß, Heinz Sturm, Jens Günster
publiziert in:
Wiley Online Library, 2208653 (2022), Seiten 1 bis 21
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