Werkstoff- und Prozessanalyse zur Herstellung keramischer Werkstoffverbunde mittels badbasierter Photopolymerisation (VPP-LED)

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, wie einer hohen mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit, werden Keramiken in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. Die Additive Fertigung, insbesondere mittels badbasierter Photopolymerisation (VPP), bietet neue Möglichkeiten zur Herstellung komplexer und individualisierter Keramikkomponenten. Eine vielversprechende Weiterentwicklung ist das Multi-Material Additive Manufacturing (MMAM), welches die Kombination verschiedener Materialien in einem Bauteil zum Ziel hat. Dadurch sollen die Bauteileigenschaften verbessert und neue Anwendungen erschlossen werden. ... mehrDazu ist es notwendig, die Materialien gezielt aufeinander abzustimmen und die Wechselwirkungen entlang der Prozesskette zu berücksichtigen. In der vorliegenden Arbeit werden daher Werkstoff- und Prozessanalysen durchgeführt und die Ergebnisse exemplarisch zur Herstellung keramischer Werkstoffverbunde mittels badbasierter Photopolymerisation angewendet. Dazu wird in einer Werkstoffauswahl ein vielversprechendes Werkstoffcluster, das sowohl synergetische Eigenschaften als auch ein hohes Potenzial zur gemeinsamen Verarbeitung entlang der VPP-Prozesskette aufweist, identifiziert. Es werden ein Bindersystem entwickelt, das mit nur geringfügigen Modifikationen für die ausgewählten Werkstoffe anwendbar ist, und geeignete Belichtungseinstellungen für den VPP-Prozess ermittelt. Zur automatisierten Reinigung der Bauteile werden Reinigungsstationen aufgebaut und optimierte Reinigungsstrategien identifiziert. Ferner wird ein Temperaturprofil zum schädigungsfreien Entbindern ermittelt und in weiteren Untersuchungen das Schrumpfungsverhalten der Proben verschiedener Materialien und Füllstoffgehalte während des Sinterprozesses analysiert. Es wird insbesondere betrachtet, wie sich Abweichungen von den typischerweise angewendeten Sinterbedingungen auf die Dichte und die mechanischen Eigenschaften der Bauteile auswirken. Basierend darauf wird ein Temperaturprofil zum gemeinsamen Sintern der ausgewählten Materialien abgeleitet. Die so ermittelten Erkenntnisse werden abschließend zur Herstellung von Werkstoffverbunden eingesetzt. Dabei werden die Ansätze des Sinterfügens sowie des Multi-Material-VPP angewendet. Die Arbeit demonstriert auf Basis einer Werkstoff- und Prozessanalyse das Potenzial der keramischen Multi-Material-Fertigung mittels VPP und bildet eine Grundlage für weitere Optimierungen und spezifische Anwendungen von keramischen Werkstoffverbunden.

Due to their special properties, such as high mechanical strength and chemical resistance, ceramics are used in a wide range of applications. Additive manufacturing, in particular by means of vat photopolymerization (VPP), offers new possibilities for producing complex and customized ceramic components. A promising further development is multi-material additive manufacturing (MMAM), which aims to combine different materials in one component. This should improve the component properties and open up new applications. To achieve this, it is necessary to tailor the materials to each other and to consider the interactions along the process chain. ... mehrIn the present work, therefore, material and process analyses are carried out and the results are used to produce ceramic material composites by vat photopolymerization. For this purpose, a material selection is performed to identify a material cluster that shows both synergetic properties and a high potential for co-processing along the VPP process chain. A binder system is developed that can be applied to the selected materials with only minor modifications, and suitable exposure parameters are determined for the VPP process. Cleaning stations for automated cleaning of the components are constructed and optimized cleaning strategies are identified. Furthermore, a temperature profile for damage-free debinding is determined and the shrinkage behavior of samples of different materials and filler contents during the sintering process is analyzed in further investigations. In particular, the effect of deviations from typically applied sintering conditions on the density and the mechanical properties of the components is considered. Based on this, a temperature profile for the simultaneous co-sintering of the selected materials is derived. The obtained results are then used for manufacturing composite materials. Here. the approaches of sinter joining and multi-material VPP are applied. Based on a material and process analysis, the work demonstrates the potential of ceramic multi-material manufacturing by VPP and provides a basis for further optimization and specific applications of ceramic composites.