HRL Laboratories entwickelt neue Methode zum 3D-Drucken von Brüchen

Jul 03, 2023

Forscher von HRL Laboratories, einem Forschungszentrum von General Motors und Boeing, haben eine neuartige Methode zum 3D-Drucken von Teilen unter Verwendung bruchfester Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe (CMCs) entwickelt.

Das HRL-Team entwickelte ein neuartiges präkeramisches Harz auf Siloxanbasis, verstärkte es mit inerten Partikeln und wandelte es dann mithilfe eines extremen Erhitzungsprozesses namens Pyrolyse in Siliziumoxycarbid (SiOC) um. Das resultierende glasartige Material zeichnete sich durch eine verbesserte Haltbarkeit aus und könnte laut dem Forschungsteam in neuen energiesensiblen Bereichen wie Antrieb, Energieerzeugung und chemischer Verarbeitung eingesetzt werden.

„Die Herausforderung, der wir uns in diesem Projekt gestellt haben, bestand darin, diese Verstärkungslösung in unseren 3D-Druckprozess zu integrieren“, sagte Mark O'Masta, HRLs leitender Forscher bei dem Projekt. „Wir können diese Verstärkungen jetzt in großvolumigen Anteilen hinzufügen, um unsere 3D-gedruckten Keramikteile deutlich härter zu machen.“

„Wir haben im Wesentlichen ein sprödes monolithisches Material in einen haltbaren Verbundwerkstoff umgewandelt. Als zusätzlichen Vorteil wurden durch das Hinzufügen von Verstärkungen einige Verarbeitungseinschränkungen gelockert.“

Erweiterung der Anwendungen von 3D-gedruckter Keramik

Keramische Komponenten verfügen in der Regel über eine hervorragende Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und ihre einzigartigen Eigenschaften ermöglichen potenzielle Anwendungen in Hochtemperaturbereichen, ihre Formgebung hat sich jedoch als problematisch erwiesen. Die Verwendung zerbrechlicher Keramik zur Herstellung komplexer Teile mit engen Geometrien kann auch dazu führen, dass sich in den inneren Rissen und Hohlräumen Druck aufbaut, was manchmal zu katastrophalen Ausfällen führt.

„Alle Keramikteile, ob traditionell verarbeitet oder 3D-gedruckt, weisen kleine Mängel auf, wie zum Beispiel winzige Hohlräume, die während der Verarbeitung, Handhabung und Wartung entstehen“, erklärte O’Masta. „Das Problem besteht darin, dass der Defekt bei Belastung in diesem Bereich zu einem unkontrollierten Riss werden kann, der zu einem katastrophalen Versagen des gesamten Teils führt.“

Die 3D-Drucktechnologien für Keramik stecken zwar noch in den Kinderschuhen, es entstehen jedoch bereits häufig verwendete Techniken, um dieses Problem zu umgehen. Es wurde eine Mischung aus Direct Ink Writing (DIW)- und Fused Deposition Modeling (FDM)-Ansätzen versucht, häufiger wird jedoch die Photopolymerisation (SLA) zur Aushärtung von polymerinfundiertem Ausgangsmaterial eingesetzt.

Bei jedem dieser bestehenden Verfahren wird der gedruckte „Grünling“ einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen, die das Polymer entfernt (Entbinderung), bevor die Keramikpartikel gesintert werden. Neuere Forschungen haben nun einen alternativen Ansatz ergeben, der stattdessen den 3D-Druck mit Harzen auf Siloxanbasis vorsieht, bevor diese durch Pyrolyse in SiOCs umgewandelt werden.

Diese neue Keramikherstellungstechnik macht die langwierigen Entbinderungs- und Sinterschritte überflüssig und stellt möglicherweise eine schnellere Alternative zu herkömmlichen Keramikdruckverfahren dar. Damit dieser neue temperaturbasierte Ansatz jedoch effektiv funktioniert, muss ein Keramikmaterial entwickelt werden, das die geringe intrinsische Zähigkeit des Materials berücksichtigt und eine schlechte Partikelfusion verhindert.

Der neuartige Ansatz von HRL Labs zum 3D-Druck von Keramik

Um die inhärente Zerbrechlichkeit von Keramik zu umgehen, entwickelte das HRL-Team ein neuartiges Verfahren, das die Entwicklung eines keramikfaserverstärkten CMC erforderte. Die Forscher formulierten ihr neues Harz mit einer Mischung aus Photoinitiatoren und einem Siliziumoxycarbid (SiOC)-Material, das dispergierte inerte Keramikpartikel enthielt.

Mithilfe eines Industriedruckers ProMaker L5000 von Prodways stellten die Forscher anschließend eine Reihe von Proben mit den Abmessungen 1,25 (t) × 2,5 (h) × 15 (l) mm3 her, mit dem Ziel, ihre Formel zu bewerten und zu optimieren. Nach einer Reihe von Charakterisierungstests stellte das Team ein hohes Maß an Partikeldispersion fest, aber auch ein merkwürdiges Verhalten bei der Zugfestigkeit der verstärkten Teile.

Es stellte sich heraus, dass die dickeren Proben anfälliger für Risse waren als ihre dünneren Gegenstücke, und durch diese Entdeckung identifizierte das HRL-Team einen „Sweet Spot“ im Grad der Verstärkung, die sie erreichen konnten. Das Hinzufügen einer zu großen Menge des Verstärkungselements würde die „Packungsgrenze“ überschreiten und das Teil schwächen, während eine zu geringe Zugabe die Keramik anfällig für Brüche machen könnte.

Nachdem das Forscherteam seit 2016 an seiner Technik gearbeitet hat, glaubt es, dass es endlich eine gut verteilte, verstärkte Keramik mit geringerer Schrumpfung nach dem Erhitzen geschaffen haben könnte. Produkte, die mit dem verbesserten Material gedruckt wurden, wiesen eine dreimal größere Wandstärke und eine Zähigkeit von über 3 MPa auf, was das HRL-Team zu dem Schluss brachte, dass jetzt neue, komplexere Keramikteile möglich sein könnten.

„Durch eine detaillierte Studie und eine sorgfältige Untersuchung auf Defekte mittels Licht- und Elektronenmikroskopie konnten wir die richtigen Verarbeitungsbedingungen identifizieren“, schloss Ekaterina „Katya“ Stonkevitch, Mitautorin der HRL-Studie. „Anhand dieser Informationen haben wir herausgefunden, dass wir Teile dicker als zuvor drucken können.“

Keramische Innovationen im 3D-Druck

Obwohl die additive Fertigung von Keramik noch vollständig für hochbeanspruchte Endanwendungen optimiert ist, haben einige Unternehmen die Technologie bereits kommerzialisiert.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) haben ein Multi Material Jetting (MMJ)-System entwickelt, mit dem verstärkte Keramikteile hergestellt werden können. Die neue Maschine verschmilzt Materialien wie Metalle und Keramik, um ihre kombinierten Eigenschaften zu nutzen.

Der in den Niederlanden ansässige 3D-Druckerhersteller Admatec hat einen modularen neuen DLP-3D-Drucker auf den Markt gebracht, der auch mit Keramik kompatibel ist: den Admaflex 300. Das System wurde entwickelt, um die Anforderungen der Feingussindustrie für die Herstellung großformatiger Aluminiumoxidteile und Siliziumdioxid zu erfüllen Kerne oder Schalen.

An anderer Stelle ist der Materialstrahlspezialist XJet eine Partnerschaft mit Straumann eingegangen, um die Fähigkeiten seiner Keramik-3D-Drucktechnologie für zahnmedizinische Anwendungen zu erweitern. Durch den Einsatz der additiven Fertigungssysteme von XJet war Straumann in der Lage, Dentalteile mit komplexen Geometrien aus dem typischerweise spröden Material zu entwerfen und herzustellen.

Die Ergebnisse der Forscher werden in ihrem Artikel mit dem Titel „Additive Manufacturing of Polymer-derived Ceramic Matrix Composites“ detailliert beschrieben, der von Mark R. O'Masta, Ekaterina Stonkevitch, Kayleigh A. Porter, Phuong P. Bui und Zak C. Eckel verfasst wurde , und Tobias A. Schädler.

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Das abgebildete Bild zeigt eine der 3D-gedruckten keramikverbundverstärkten Strukturen des HRL-Teams. Bild über HRL Laboratories.

Paul hat einen Abschluss in Geschichte und Journalismus und hat eine Leidenschaft dafür, die neuesten Nachrichten aus dem Technologiebereich zu finden.