Polymer-Ceramic Composites for 3D Inkjet Printing

Als eine der wenigen additiven Fertigungsmethoden ermöglicht der 3D-Tintenstrahldruck die Multimaterialabscheidung. Es besteht jedoch ein Bedarf an Funktions- und Strukturmaterialien. Unter anderem werden thermisch leitfähige Polymer-Keramik-Komposite zur thermischen Regulierung benötigt. In dieser Arbeit wurden drei neue Arten von Al2O3-Partikel gefüllten Tinten hergestellt und untersucht. Allen voran sind es die thermisch leitfähigen, Partikel gefüllten Tinten, die anfänglich ohne, später aber mit volatilen Lösungsmitteln hergestellt wurden, um den Füllgrad zu steigern. Des Weiteren wurden Untersuchungen zu der Auswirkung von Nanopartikeln auf die Zähigkeit und Bruchdehnung von Kompositen angestellt, welche in lösungsmittelfreien UV härtbaren Tinten mündeten. Bei der Herstellung wurde die Keramik in einer Planetenkugelmühle homogenisiert und zerkleinert. Zeitgleich oder im Anschluss an die Mahlung wurden den Partikeln die Dispergatoren 3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylat oder 2-[2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy]essig-säure hinzugegeben. Je nachdem, ob die Mahlung in einem volatilen Mahlmedium oder direkt schon in der organischen Matrix stattfand, wurden die Partikel im ersteren Fall getrocknet und im letzteren direkt für die Verwendung abgefüllt. ... mehrDie getrockneten Partikel wurden im Anschluss in die organische Matrix eingearbeitet. Der Prozess wurde von Analysemessungen begleitet, welche zum einen das Pulver und zum anderen die fertige Komposit-Tinte charakterisierten. Die Charakterisierung der Tinten umfasste rheologische Messungen, Stabilitätsuntersuchungen und Tintenstrahl-Drucktests. Gedruckte Komposit-Prüfkörper wurden mechanisch und thermisch analysiert. Die Nanokomposit-Tinten zeigten keine nennenswerten Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften bei den untersuchten Parametern. Die zweite lösungsmittelfreie Tinte führt zu einem Komposit mit einem Füllgrad von 30 Vol% und einer thermischen Leitfähigkeit von 0,6 W/(m·K). Die Untersuchung der lösungsmittel-haltigen Tinten ergab ein Material mit einem Füllgrad von 50 Vol% und einer thermischen Leitfähigkeit von 1 W/(m·K), ein bisher unerreichtes Ergebnis. Die mechanischen Eigenschaften zeigten einen E-Modul von 2,4 GPa, eine Zugfestigkeit von 40 MPa, eine Bruchdehnung von 1 % und eine Zähigkeit von 1,3 J/m³. Sowohl die lösungsmittelfreie als auch lösungsmittelhaltige Tinte wurden für die Herstellung von Komponenten zu Demonstrationszwecken verwendet.