Pulverbasierter 3D-Druck

Pulverbasierter 3D-Druck/ indirekter 3D-Druck

Quelle: Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg

Autor / Gate Keeper

  • Prof. Dr. Nahum Travitzky
  • Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
  • Department Werkstoffwissenschaften
  • Institut für Glas und Keramik
  • Martensstraße 5
  • 91058 Erlangen
     
  • Tel.: +49 9131 85-28775
    Fax: +49 (0) 9131 8528311
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Das indirekte 3D-Drucken gilt als das flexibelste, schnellste und kostengünstigste generative Fertigungsverfahren zur Herstellung keramischer Bauteile mit komplexer Geometrie [1-4]. Abb. 1 zeigt die Funktionsweise eines 3D-Druckers [1, 5]. Der 3D-Drucker verfügt über zwei voneinander getrennte Kammern, deren Boden in der vertikalen Richtung verschiebbar ist. Die linke Kammer dient als Vorrat für das Pulver, welches während des Bauprozesses durch eine rotierende Walze nach rechts in den Bauraum übertragen wird. Die Schichtdicke wird dabei durch die Walze reguliert und vor dem Druckvorgang eingestellt. Überschüssiges Pulver fällt in einen Überlaufbehälter und kann wiederverwendet werden. Nachdem die erste Schicht in den Bauraum gebracht wurde, wird diese Schicht gedruckt. Dabei wird der Druckkopf über das Pulverbett bewegt und sprüht auf den, von der CAD-Datei vorgesehenen, Stellen eine definierte Menge wasserbasierter Druckflüssigkeit, wodurch das binder-haltige Pulver lokal verfestigt wird. Ist die erste Schicht gedruckt, wird der rechte Bauraum heruntergefahren und der Pulvervorrat angehoben, sodass eine neue Pulverschicht aufgebracht werden kann und der Prozess von neuem beginnt. Die Prozesskette wird solange wiederholt, bis die Herstellung aller Objekte abgeschlossen ist. Dieser Prozess benötigt für Überhänge keine zusätzlichen Stützkonstruktionen, da das ungebundene Pulver für eine Abstützung sorgt [4]. Die Genauigkeit des Druckprozesses ist abhängig vom Benetzungs- und Fließverhalten der wässrigen Druckflüssigkeit gegenüber dem verwendeten Pulver. Nach dem 3D-Drucken und thermischen Behandlungen (z.B. Pyrolysieren, Sintern und Metallschmelzinfiltration) können dichte keramische Bauteile erzielt werden [3-6]. Abb. 2 zeigt beispielsweise die CAD-Modelle sowie die experimentell hergestellten Keramikbauteile, die durch indirektes 3D-Drucken und Metallschmelznachinfiltration entstehen [3-6]. Aufgrund der kleinen Schwindung bei Metallschmelznachinfiltration ermöglicht das ganze Verfahren „Near Net Shape Manufacturing“ [6, 7].

Abb. 1:   Funktionsschema des indirekten 3D-Druckens [1, 5]

Abb. 2:   Die durch indirektes 3D-Drucken hergestellten keramischen Strukturen von unterschiedlichen Dimensionen. Oben: CAD-Modell. Unten: Experimentell hergestelltes reaktionsgebundenes SiSiC-Gitterstrukturen mittels Siliziumschmelzinfiltration (a und b) [4, 6]; Al2O3-Tubinenschaufel und Kopfknochen nach Glasinfiltration [3] (c und d) und gesinterte und Cu-O infiltrierte Al2O3-Bauteile (e) [1].

Literatur

[1] Melcher R, Travitzky N, Zollfrank C, Greil P. 3D printing of Al2O3/Cu-O interpenetrating phase composite. Journal of Materials Science. 2011;46:1203-10.

[2] Travitzky N, Bonet A, Dermeik B, Fey T, Filbert-Demut I, Schlier L, et al. Additive manufacturing of ceramic-based materials. Advanced Engineering Materials. 2014;16:729-54.

[3] Zhang W, Melcher R, Travitzky N, Bordia RK, Greil P. Three-dimensional printing of complex-shaped alumina/ glass composites. Advanced Engineering Materials. 2009;11:1039-43.

[4] Schlier L, Zhang W, Travitzky N, Greil P, Cypris J, Weclas M. Macro-cellular silicon carbide reactors for nonstationary combustion under piston engine-like conditions. International Journal of Applied Ceramic Technology. 2011;8:1237-45.

[5] Melcher R, Martins S, Travitzky N, Greil P. Fabrication of Al2O3-based composites by indirect 3D-printing. Materials Letters. 2006;60:572-5.

[6] Fu Z, Schlier L, Travitzky N, Greil P. Three-dimensional printing of SiSiC lattice truss structures. Materials Science and Engineering: A. 2013;560:851-6.

[7] Yin X, Travitzky N, Greil P. Near‐Net‐Shape Fabrication of Ti3AlC2‐Based Composites. International journal of applied ceramic technology. 2007;4:184-90.

 

 

 

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