Additive Fertigung von Hochleistungssilikatkeramik mittels Zwei-Photonen-Polymerisation

• Antragsteller: Dr.-Ing. Enrico Storti
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527057757

Die Ziele dieses Projekts sind die Entwicklung von Suspensionen aus präkeramischen Polymeren mit Keramikpulvern in Nanogröße und die Herstellung hochleistungssilikatkeramischer Komponenten durch Zwei-Photonen-Polymerisation (TPP) aus solchen Suspensionen. Die Hauptzielzusammensetzung wird Mullit sein, das durch die Reaktion zwischen nanoskaligem Gamma-Aluminiumoxid und amorphem Siliciumdioxid aus der Pyrolyse des präkeramischen Polymers (z. B. ein kommerzielles, lösungsmittelfreies Acrylatsiloxan) erhalten werden kann. Die photohärtbaren Mischungen werden hinsichtlich Rheologie und Transparenz untersucht und die am besten geeigneten Zusammensetzungen für TPP zum Drucken ausgewählt. Differentialscanningkalorimetrie gekoppelt mit Thermogravimetrie wird durchgeführt, um die kritischen Temperaturen für das Entbindern und Sintern zu finden. Objekte kleiner Größe (<1 mm3) und hoher Komplexität werden mit einem 3D-Drucker hergestellt, der für die TPP-Technologie entwickelt wurde. Schreibparameter wie Schichtdicke, Schraffurabstand, Scangeschwindigkeit und Laserleistung werden angepasst, um die Geschwindigkeit zu maximieren und gleichzeitig eine hohe Auflösung der gedruckten Teile beizubehalten. Nach dem Waschen und Trocknen werden die Entbinderungs- und Sinterprozesse untersucht, um die Schwindung und Formverzerrung zu minimieren. Die endgültigen Komponenten werden vollständig durch Rasterelektronenmikroskopie in Verbindung mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie untersucht, um Informationen über die Mikrostruktur und die chemische Zusammensetzung zu erhalten. Zusätzlich wird die Phasenzusammensetzung der Teile nach dem Sintern an Luft durch Röntgenbeugung bestimmt. Proben mit einfacher Geometrie und größeren Größen (z. B. 1 cm3) werden speziell für mechanische Tests mit demselben Drucker und Suspensionen im Ein-Photonen-Polymerisationsmodus hergestellt, wobei der Photoinitiator bei Bedarf angepasst wird. Schließlich werden die vielversprechendsten Zusammensetzungen mit Keramikpulvern in Nanogröße mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Brechungsindizes modifiziert. Der Einfluss von Füllstoffen wie Zirkonoxid, Calciumoxid und Yttriumoxid auf die Suspensionseigenschaften und deren Eignung für TPP wird bewertet und Druckexperimente mit den besten Kandidaten durchgeführt.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Gastgeber: Professor Dr. Thomas Graule