Robocasting keramischer 3D-Strukturen: Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulation des Gefüges und der Makrostruktur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt betrachtet Robocasting, ein Verfahren der extrusionsbasierten keramischen Additiven Fertigung, mittels experimenteller und numerischer Untersuchung. Für die Modellierung der Paste wurde das Herschel-Bulkley Model als geeignet bestätigt, um die meisten Charakteristika des Prozesses zu beschreiben. Für die meisten Applikationen wird eine anisotrope Partikelorientierung bevorzugt. Die Düsengeometrie wurde als eine wesentliche Größe identifiziert, um die Partikelorientierung zu beeinflussen. Insbesondere das Verhältnis der Durchmesser von Düseneingang zu Düsenausgang kann verwendet, um den i.d.R. niedrigen Grad an Partikelorientierung im Düsenzentrum zu verbessern. Als analytisches Vorhersagemodell empfehlen wir das Model von Folgar & Tucker. Der Trocknungsschritt sollte in den Vorhersagemodellen nicht berücksichtigt werden. Im Zuge des Projektes wurden Pasten aus BaTiO3 Pulver hergestellt und monolithische als auch funktionale Strukturen generiert. Die piezoelektrischen Eigenschaften wurden untersucht und sind vergleichbar zu Daten aus der Literatur. Ein kritischer Schritt der Probenherstellung, der Trocknungsprozess, wurde genauer untersucht und der Einfluss der Filmdicke auf die Trocknungsspannung und die Rissbildung wurde gezeigt. Hier sind weitere Untersuchungen und eine Weiterentwicklung des Messaufbaus, um dickere Schichten zu vermessen, nötig. Durch die Herstellung von zwei Schlitzdüsen für den Robocastingprozess konnte die Machbarkeit von schichtweisen Kammstrukturen gezeigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “A Smoothed Particle Hydrodynamics scheme for arbitrarily shaped rigid bodies within highly viscous fluids”, in Journal of Computational Physics X, 8, (2020), p. 100068
Dietemann, Bastien; Kraft, Torsten; Kruggel-Emden, Harald; Bierwisch, Claas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcpx.2020.100068) - “Electromechanical Properties of Robocasted Barium Titanate Ceramics” in Advanced Engineering Materials, (2020), 22, p. 2000325
Lorenz, Mylena; Martin, Alexander; Webber, Kyle G.; Travitzky, Nahum
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1002/adem.202000325) - “Influence of platelet content on the fabrication of colloidal gels for robocasting: Experimental analysis and numerical simulation” in Journal of the European Ceramic Society 40, (2020), pp. 811–825
Lorenz, Mylena; Dietemann, Bastien; Wahl, Larissa; Bierwisch, Claas; Kraft, Torsten; Kruggel-Emden, Harald; Travitzky, Nahum
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.10.044) - “Modeling Robocasting with Smoothed Particle Hydrodynamics: Printing gap-spanning filaments” in Additive Manufacturing, 36, (2020)
Dietemann, Bastien; Bosna, Fatih; Lorenz, Mylena; Travitzky, Nahum; Kruggel-Emden, Harald; Kraft, Torsten; Bierwisch, Claas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101488) - “Assessment of Analytical Orientation Prediction Models for Suspensions Containing Fibers and Spheres” in Journal of Composite Science, (2021), 5(4), 107
Dietemann, Bastien; Bosna, Fatih; Kruggel-Emden, Harald; Kraft, Torsten; Bierwisch, Claas
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/jcs5040107) - “Numerical study of texture in material extrusion: Orientation in a multicomponent system of spheres and ellipsoids” in Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, (2021), 291; p. 104532
Dietemann, Bastien; Bosna, Fatih; Lorenz, Mylena; Travitzky, Nahum; Kruggel- Emden, Harald; Kraft, Torsten; Bierwisch, Claas
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jnnfm.2021.104532) - “Reorientation of suspended ceramic particles in robocasted green filaments during drying” in Materials, (2022), p. 210
Dietemann, Bastien; Wahl, Larissa; Travitzky, Nahum; Kruggel-Emden, Harald; Kraft, Torsten; Bierwisch, Claas
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/ma15062100)
