Durchbruch beim 3D-Druck von Keramik durch einen Doktoranden an einer Schweizer Universität

Jun 07, 2023

In einem Doktoratsprojekt an der SUPSI-Universität in der Schweiz entwickelte Marco Pelanconi einen hybriden AM-Prozess für komplexe Keramikstrukturen.

von Oliver Johnson

24. Mai 2023

15:13

SUPSI-Universität

Team des Hybridmateriallabors

Ein neuartiges hybrides 3D-Druckverfahren zur Herstellung komplexer Keramikstrukturen wurde in einem sogenannten „bahnbrechenden“ Doktorandenprojekt am entwickeltFachhochschule Südschweiz (ERGÄNZUNG). Den Durchbruch schaffte Marco Pelanconi, Doktorand bei Professor Alberto Ortona an derUniversität Padua.

DerLabor für Hybridmaterialien (HM Lab) an der SUPSI University forscht seit zwei Jahrzehnten an keramischen 3D-Druckmaterialien. Im Jahr 2019 demonstrierte Professor Ortona das Potenzial poröser 3D-Drucke für keramische Materialien. Pelanconi hat seine Doktorarbeit im gleichen Forschungsgebiet erfolgreich verteidigt.

Im Rahmen seiner Dissertationsarbeit entwickelte Pelanconi ein optimiertes 3D-Druckverfahren zur Herstellung komplexer Keramikarchitekturen. Der Ansatz umfasst den 3D-Druck von Polymervorformen mit hoher Mikroporosität durch SLS, kombiniert mit der Infiltration mit präkeramischen Polymeren. Anschließend wird durch Pyrolyse eine Polymer-zu-Keramik-Umwandlung bei etwa 1000 °C erreicht. Nach Angaben der Universität erfolgt eine abschließende Verdichtung durch die Infiltration von geschmolzenem Silizium, um Keramikteile mit hoher Dichte zu erhalten.

Im Projekt kam das Sintratec Kit zum Einsatz. Laut Pelanconi waren die offenen Parameter des Kits für das Projekt nützlich. Er sagte: „Mit dem Kit konnten wir viele Druckparameter ändern, darunter die Temperatur der Pulveroberfläche, die Schichtdicke, die Lasergeschwindigkeit, den Schraffurabstand und mehr, wodurch es einfach wurde, die Porosität der 3D-gedruckten Teile zu kontrollieren.“

Durch die Variation dieser Faktoren sei es Pelanconi gelungen, eine ideale Porosität und eine hohe Teilequalität zu erreichen, die für die weitere Infiltration entscheidend seien.

Um zu veranschaulichen, wie die Methode für komplexe Formen eingesetzt werden kann, konzentrierte Pelanconi seine Forschung auf zwei zylindrische poröse Strukturen mit unterschiedlichen Topologien: einen rotierten Würfel und einen Gyroid. Nach dem Druck in PA12 und der anschließenden Umwandlung in Keramik wiesen die resultierenden Teile laut dem Maschinenbauingenieur „hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften“ auf.

Das Sintratec Kit und eines der Keramikteile

Laut Pelanconi behielten die Drucke trotz einer Schrumpfung von -25 % ihre Form ohne Verzerrung oder Makrorisse. Er sagte auch, dass die biaxiale Festigkeit der Teile von 165 MPa durch weitere Prozessoptimierung noch erhöht werden könne.

Zum Potenzial komplexer Keramikarchitekturen fügte Pelanconi hinzu: „Diese Materialklassen bieten unübertroffene thermomechanische Eigenschaften, die Stähle nicht bieten können, wie z. B. hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Oxidationsbeständigkeit, hohe Temperaturwechselbeständigkeit und hohe Festigkeit.“

Die Universität sagt, dass der von Pelanconi im HM Lab verfolgte Ansatz dank der verschiedenen Keramikmaterialien, die aus einer Reihe präkeramischer Polymere erhältlich sind, von der High-Tech-Industrie genutzt werden könnte.

von Oliver Johnson

24. Mai 2023

15:13

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