Development of Ceramic Feedstocks for Fused Filament Fabrication

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die extrusionsbasierte additive Fertigung (Fused Filament Fabrication FFF), ist eine vielversprechende Technik zur kostengünstigen Produktion von Komponenten hoher geometrischer Komplexität. Der Prozess basiert auf einem mit keramischen Pulver hochgefüllten, thermoplastischen Binder zur Produktion von Feedstock-Filamenten, die auf denselben Maschinen verwendet wie bei der FFF von Kunststoffen. Die Binder werden in einem Entbinderungsschritt entfernt, und die finalen Bauteile erhält man nach dem Sinterschritt. Für die Filamenten braucht man feste, flexible und niedrig-viskose Feedstocks, was aufgrund des hohen Anteils an keramischem Pulver (≥45 vol%) eine Herausforderung darstellt. Unterschiedliche FFF-Feedstocks wurden bisher in der Literatur behandelt, die jedoch auf einem einzelnen Schritt des thermischen Entbinderns basieren, was zu langen thermische Zyklen zur Vermeidung von Defekten führt. Die meisten kommerziell erhältlichen FFF-Feedstocks werden in zwei Schritten entbindert. Zur Zeit ist wenig Information über die für das zweistufige Entbindern notwendigen Binder vorhanden, damit wird die Entwicklung neuer Formulierungen erschwert. Das Ziel dieser Dissertation war die Entwicklung eines besseren Verständnisses für die Binder. Die gewünschten Eigenschaften für die FFF von Keramiken und Metallen wurden zusammengefasst und mit den Voraussetzungen für das lösungsmittelbasierte Entbindern, die vom Pulverspritzguss-Prozess bekannt sind, kombiniert. Ein Zirkoniumdioxid-Feedstock wurde nach den Kriterien der Morphologie, rheologischer und mechanischer Eigenschaften und des Verhaltens beim lösungsmittelbasierten Entbindern entwickelt. Zwei lösliche Komponenten waren für die Herstellung flexibler und niedrig-viskoser Feedstocks notwendig. Darauf basierend wurde eine Formulierung aus einem Polyethylen hoher Dichte gepfropft mit Acrylsäure, Stearinsäure, Paraffinwachs und Styrol-Ethylen/Butylen-Styrol Copolymer entwickelt. Die Stearinsäure reduzierte die Viskosität und erleichterte die Formgebung durch FFF, erniedrigte aber auch die Festigkeit und Flexibilität der Filamente. Die Wechselwirkungen und Adhäsion an den Grenzflächen zwischen Pulver und mit polaren Gruppen gepfropften Binder wurde ebenfalls untersucht. Die verbesserte Adhäsion des gepfropften Binders ergab eine bessere Dispersion des Pulvers und hohe mechanische Eigenschaften. Der Einfluss der Prozessparameter auf das lösungsmittelbasierte Entbindern wurde für einen ZrO2-Feedstock mit einem Binder aus gepfropften Polyolefin als Backbone und einem thermoplastischen Elastomer als löslichen Binder bestimmt. Die Erhöhung der Temperatur des Lösungsmittels erhöhte die Rate des Entbinderns, aber ebenfalls die Defekte; die Hinzugabe von Stearinsäure zum Feedstock verminderte die Defekte. Die Verwendung eines Quell-Hemmstoffs hatte nur einen geringen Einfluss. Schließlich wurde der Effekt der FFF-Parameter auf die Eigenschaften der Endprodukte bestimmt. Die Veränderungen im Feedstock während der Formgebung, die Schwankungen des Filamentdurchmessers und die Ausrichtung der extrudierten Stränge beeinflussten die Größe und Orientierung der Defekte. Die FFF-Defekte bestimmten wiederum die Biegeeigenschaften der gesinterten Teile. Daher müssen die Lasten, die auf die keramischen Teile wirken, bereits während des FFF-Prozesses berücksichtigt werden. Die Ergebnisse dieser Dissertation bieten einen fundierten Einblick in die Binder, die für die Kombination FFF / lösungsmittelbasiertes Entbindern benötigt werden. Desweiteren wurde der Einfluss der Prozessparameter auf die Verarbeitbarkeit und Eigenschaften der Endprodukte bestimmt. Diese Ergebnisse erleichtern die Entwicklung neuer Binderformulierungen, das Verständnis der Phänomene während der Herstellung von Keramiken mit FFF und eröffnen neue Blickwinkel auf die Herstellung von Keramiken ähnlicher Formulierungen mittels anderer konventioneller und additiver Herstellte

Details

Titel in ÜbersetzungEntwicklung von keramischen Feedstocks für Fused Filament Fabrication
OriginalspracheEnglisch
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Miranda, Pedro, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Hausnerová, Berenika, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Holzer, Clemens, Betreuer (intern)
  • Herranz Sanchez-Cosgalla, Gemma, Mitbetreuer (extern), Externe Person
StatusVeröffentlicht - 2020