Robocasting keramischer 3D-Strukturen: Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulation des Gefüges und der Makrostruktur

• Antragsteller: Dr.-Ing. Torsten Kraft; Professor Dr.-Ing. Nahum A. Travitzky
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389627930

Im Zuge des Folgeprojektes zu "Robocasting keramischer 3D-Strukturen: Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulation des Gefüges und der Makrostruktur" sollen die bisherigen Arbeiten der Projektpartner FAU und IWM weitergeführt werden.Nachdem seitens der FAU bereits erfolgreich verschiedene Robocastingpasten entwickelt und gedruckt wurden, sollen nun funktionale, komplexere 3D Strukturen, wie zum Beispiel auxetische Strukturen, generiert werden. Durch die Nutzung von neu designten Schlitzdüsen sollen zudem mehrlagige Schichtsysteme ermöglicht werden. Dies soll mit dem sogenannten Multimaterialdruck kombiniert werden, welcher eine Kombination von unterschiedlichen Materialien und somit unterschiedlichen Materialeigenschaften ermöglicht. Diese experimentellen Ergebnisse sollen anschließend mit den Simulationen des IWM auf Bauteilebene verglichen werden. Der Einfluss des Plättchengehaltes auf das zeitabhängige Trocknungsverhalten der Pasten wurde in der bisherigen Projektlaufzeit analysiert. Diese Ergebnisse sollen nun erweitert und die sogenannte kritische Rissbildungsfilmdicke soll durch Variation der Dicke des Trocknungsfilms bestimmt werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen dient dem Projektpartner IWM, den Trocknungsvorgang auf Gefügeebene zu simulieren. Von Seiten des IWMs gibt es zwei wesentliche Ziele während des Folgeprojekts. Experimente von FAU zeigten, dass die Orientierung der Partikel in der Paste einen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des gedruckten Filaments haben. Für die Vorhersage der Orientierung wird für gewöhnlich das numerische Model von Folgar und Tucker genutzt. Die Qualität der Vorhersage dieses Models hängt jedoch von einer unbekannten Konstante ab. Das erste Ziel ist daher, basierend auf einem großen vorhandenen Datensatz, ein allgemeines Gesetz zur Bestimmung dieser Konstante aufzustellen. Mithilfe dieser Konstante wird dann ermittelt, wie der Prozess bezüglich einer isotroperen Partikelorientierung zu optimieren ist, um die Rissbildung in den Filamenten zu minimieren.Das zweite Ziel ist die Beschreibung des Trocknungsvorgangs auf mikroskopischer Ebene der gedruckten Filamente. Während der Trocknung findet eine Umorientierung der Partikel statt, wodurch das Filament, aufgrund von Stress, Risse bekommen kann. Diese Umorientierung ist sowohl numerisch als auch experimentell weitestgehend unerforscht. Mithilfe von Simulationen wird in einer Parameterstudie dieser Prozess des Umorientierens untersucht. Ziel hierbei ist eine Ableitung allgemeingültiger Regeln über die Quantität der Umorientierung in Abhängigkeit von Pastenparametern und Umgebungsparametern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen