BMBF-Nachwuchsgruppe „TransNanoAF“

Keramische Mikro- und Nanostrukturen sind über klassische Pulver-Schlicker nicht herstellbar, da deren Partikel das Licht streuen, was hochauflösende AM-Verfahren zur Strukturierung verwenden. Die Forschergruppe um Dr.-Ing. Johanna Sänger verwendet transparente Nanopartikel-beladene Feedstocks zur Entwicklung keramischer Komponenten im Mikrometer bis Zentimeterbereich für z.B. medizinische und optische Anwendungen.

In der Abteilung Werkstofftechnik kann die Gruppe auf Expertise zu additiver Fertigung von keramischen Bauteilen zurückgreifen. Darüber hinaus fundiert das Projekt auf einer langjährigen Kooperation mit der Abteilung Materialchemie im Themengebiet polymerer Werkstoffe und Partikelanalyse.

Für das Projekt „TransNanoAF“ erhielt Johanna Sänger vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) eine Förderung in der Höhe von 1,9 Mio € für 5 Jahre. Die BAM unterstützt die Nachwuchsgruppe mit Labor- und IT-Ausstattung sowie 10.000€ pro Jahr.

Team

Die Gruppe vereint naturwissenschaftliche Expertise zur Nanopartikelherstellung, Feedstock-Entwicklung, lichtbasierter Additiver Fertigung (AM) und keramischen Technologien mit datenbasierter Qualitätssicherung.
Offene Stellen:

• Doktorand (m/w/d, 3 Jahre) Chemieingenieur zur Nanopartikelherstellung und Feedstock-Entwicklung
• Doktorand (m/w/d, 3 Jahre) Materialwissenschaften zur Additiven Fertigung und mechanischer sowie optischer Charakterisierung keramischer Bauteile
• Post-Doc (m/w/d, bis zu 2 Jahre) zur keramischen additiven Fertigung mittels hybrider und Dünnfilm-Verfahren

Forschungsschwerpunkte

Nanopartikel und Entwicklung transparenter Feedstocks

Um keramische Strukturen herzustellen, deren Auflösung im Mikrometer- bis Nanometerbereich liegt, bedarf es transparenter Feedstocks mit einer hohen Partikelfracht. Diese Eigenschaftskombination lässt sich nur mit Nanopartikeln gewährleisten, da so die Streuung des Lichts auf ein Minimum reduziert wird[1]. Eigene individuelle Nanopartikel erweitern das Materialspektrum auf verschiedene Keramiken und Metalle. Aus ihnen werden transparente Feedstocks für die unterschiedlichen AM-Verfahren hergestellt.

Lichtbasierte hochauflösender AM von Keramik

Mit der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) können die bis dato filigransten Strukturen hergestellt werden. Es ist gelungen technische Keramik wie Zirkonoxid mit 500nm kleinen Features zu drucken [2]. Da die Strukturen aber sehr klein sind werden hybrid Bauteile angefertigt, bestehend aus einer Basis-Struktur im Zentimeterbereich mit ultra-feinen Features[3]. Des weiteren wird das Konzept von transparenten Feedstocks auf spezielle AM-Techniken wie Xolographie[4] oder Robotik sowie Dünnfilm-Techniken übertragen, welche andere Größen bedienen oder Lücken zwischen diesen schließen.

Digitalisierung der Prozesskette und Analysen

Um die Qualität der gedruckten Bauteile zu bestimmen und somit ihren technischen Einsatz zu erleichtern wird die gesamte Prozesskette, von Nanopartikelherstellung bis Charakterisierung digitalisiert. Zur Beurteilung keramischer Bauteile ist besonders deren mechanische Eigenschaften relevant. Hier ermöglichen die Nanopartikel auf Grund ihrer besonderen Sinteraktivität die Variation der Festigkeit. Besonders im Zusammenspiel mit der hochauflösenden AM entsteht ein keramisches Metamaterial[5]. Die transparenten Feedstocks können darüber hinaus zu transparenten Keramiken gesintert zu werden. Deren hoher Brechungsindex ermöglicht so die Variation der optischen Eigenschaften

Methoden und Workflows

Das Team entwickelt folgende Methoden und Workflows:

• Herstellung eigener keramischer Nanopartikel
• Entwicklung transparenter Feedstocks
• Lichtbasierter hochauflösender AM von Keramik
• Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP)
• Xolographie und Robotik-AM
• 2PP-Hybrid mit digital light processing (DLP)
• Dünnfilm-Herstellung
• Nanopartikel- und Feedstock-Analyse
• Evaluierung mechanische und optischer Eigenschaften
• Digitalisierung der Prozesskette

Förderung

Die Nachwuchsgruppe „TransNanoAF“ von Johanna Sänger wird mit 1,9 Mio € vom Bundesministerium für Bildung und Forschung für 5 Jahre (2025-2029) mit dem Förderkennzeichen 03XP0626 gefördert. Die BAM unterstützt das Projekt mit weiteren 10.000€ pro Jahr.

Publikationen

[1] J. C. Sänger, B. R. Pauw, H. Sturm, and J. Günster, "First time additively manufactured advanced ceramics by using two-photon polymerization for powder processing", Open Ceramics, p. 100040, 2020/12/03/ 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.oceram.2020.100040.
[2] J. C. Sänger et al., "Entering a New Dimension in Powder Processing for Advanced Ceramics Shaping", Advanced Materials, vol. n/a, no. n/a, p. 2208653, 2022, doi: https://doi.org/10.1002/adma.202208653.
[3] J. C. Sänger, M. Schwentenwein, R. Bermejo, and J. Günster, "Hybridizing Lithography-Based Ceramic Additive Manufacturing with Two-Photon-Polymerization", Applied Sciences, vol. 13, no. 6, p. 3974, 2023. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/2076-3417/13/6/3974.
[4] J. C. Sänger et al., "Linear Volumetric Additive Manufacturing of Zirconia from a Transparent Photopolymerizable Ceramic Slurry via Xolography", Open Ceramics, p. 100655, 2024/08/10/ 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.oceram.2024.100655.
[5] J. C. Sänger, B. Riechers, B. R. Pauw, R. Maaß, and J. Günster, "Microplastic response of 2PP-printed ceramics", Journal of the American Ceramic Society, vol. 107, no. 10, pp. 6636-6645, 2024, doi: https://doi.org/10.1111/jace.19849.