STZ Hochleistungskeramik, Aktuelle Forschungsprojekte

Aktuelle Forschungsprojekte

Hannover Messe 2007

Keramische Leichtbauteile

Folientechnik und 3D-Drucken erscheinen geeignet, Leichtbauteile aus Keramik herzustellen. Mit Hilfe des Tiefziehens von keramischen Folien können leichte dreidimensionale Schalen hergestellt werden, die die bewährt hochwertige Oberfläche einer Keramik zur Verfügung stellt. Verschleißbeständigkeit, Sterilisierbarkeit, Farbechtheit und UV-Beständigkeit sind nur einige der Vorzüge gegenüber anderen Materialien. Das 3D-Drucken - als Rapid Prototyping Verfahren - erlaubt es, Körper als äußere Schale mit innerer Stützstruktur zu konstruieren und ohne eine Form herstellen zu müssen. Damit können hinsichtlich des Gewichts und der Belastung optimierte keramische Bauteile und Modelle in kürzester Zeit erzeugt und Kosten eingespart werden.

Hannover Messe 2006

Rapid Prototyping – 3D-Drucken von keramischen Bauteilen

Das technische Ziel dieses BMBF-Projektes (Förderkennzeichen 1711303) besteht darin, das 3D-Drucken von keramischen Bauteilen direkt aus dem CAD-Programm zu ermöglichen und das Verfahren in der keramischen Industrie zu etablieren. Damit wird die Erzeugung von Urformen, Modellen, Mustern und Prototypen ohne großen Zeit- und Kostenaufwand möglich, so dass die Hürde zur Entwicklung und Realisierung „Neuer Produkte“ drastisch reduziert wird. Anders als bei traditionellen Verfahren, wie etwa Prototypen aus dem Vollen zu schnitzen oder durch Sägen, Drehen, Bohren und Fräsen herzustellen, wird bei diesem schnellen Verfahren des 3D-Druckens der Werkstoff schichtweise aufgebracht und entsprechend der in Schichten zerlegten Konstruktion mit einem Kleber verfestigt. Nach dem Druckvorgang wird der Prototyp vom überschüssigen Pulver befreit und kann getrocknet, entbindert und gesintert werden. Dabei auftretende Schwindungen und Verformungen werden durch ein Geometrievermessungssystem erfasst. Die Ergebnisse werden verwendet, um durch geeignete konstruktive Maßnahmen die gewünschte Bauteilgeometrie zu erreichen und so Fehler auszugleichen.
Das wissenschaftliche Ziel besteht darin, einerseits mittels 3D-Druckens qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen und andererseits die Auswirkungen der speziell zu konstruierenden inneren Struktur auf die Geometrie des Bauteils zu untersuchen. Bauteile können mit homogener Dichte oder als Schalen mit innerem Stützgerüst erzeugt werden. Durch das Verfahren kann die Masse des Bauteils deutlich reduziert werden. Dies ist z.B. für Flieg- und Fliehteile mit hoher Dynamik sehr bedeutsam, aber auch für Produkte aus dem Schmuck- oder Sanitärbereich. Andere Verfahren, gezielt einen inneren Aufbau zu konstruieren, sind nicht bekannt. Infolge der Realisierung einer CAD-Konstruktion können Kanalstrukturen, Knochennetzwerkstrukturen, hohlwandige Filter, Gradientenstrukturen und sonstige Hohlkörper hergestellt werden.

Tiefziehen keramischer Folien

Die Aufgabe in diesem BMBF-Projekt (Förderkennzeichen: 1709201) bestand darin, zu untersuchen, ob das Verfahren des Tiefziehens auf keramische Folien zur Herstellung dünnwandiger Bauteile in Form von Schalen erfolgreich angewendet werden kann.
Es wurden Ingredienzien für keramische Rezepturen gefunden, die der Foliengießmasse ausreichende Plastizität analog der Eigenschaften der Metallbleche und Polymerfolien mitgeben.
Die Keramikfolien wurden nach Aufbereitung des Schlickers auf einer Foliengießanlage gegossen, unter Hauben verzögert getrocknet und in Folienhüllen verpackt gelagert. Zur Erzeugung einer dreidimensionalen Geometrie wird die keramische Grünfolie mit Hilfe geeigneter Werkzeuge (Stempel, Niederhalter und Matrize) verformt oder – wie in der Verpackungsindustrie üblich – durch mittels Vakuum in eine Form gesogen. Es wurden Keramikfolien aus Al2O3, Al2O3 + ZrO2, ZrO2, SiC und Si3N4 erfolgreich hergestellt und tiefgezogen. Verformungen bis 200% wurden realisiert. Die Systeme mit ZrO2 erwiesen sich als optimal. Die Dichte lag bei diesen bei 90% der theoretischen Dichte. Alle anderen Keramiken lagen bei ca. 75%. Die gemessenen Festigkeitswerte waren unter Berücksichtigung der offenen Porosität im normalen Bereich der Kennwerte. Die Extrapolation für Al2O3 auf 100% der theoretischen Dichte liefert Kennwerte um 500MPa. Die Gefüge zeigen eine sehr gleichmäßige Porengröße und Verteilung. Das Gefüge scheint optimal geeignet für Filtration im µm-Bereich. Mit Hilfe des Tiefziehens können dünnwandige dreidimensionale keramische Schalenkörper auf sehr einfachem Weg aus gelagerten Grünfolienbändern bei Bedarf (lean production) hergestellt werden. Die mechanische Steifigkeit und Stabilität kann durch Hinterfüttern mit Faserkörpern oder Leichtbeton erreicht werden.

Hannover Messe 2007
Keramische Leichtbauteile
	Folientechnik und 3D-Drucken erscheinen geeignet, Leichtbauteile aus Keramik herzustellen. Mit Hilfe des Tiefziehens von keramischen Folien können leichte dreidimensionale Schalen hergestellt werden, die die bewährt hochwertige Oberfläche einer Keramik zur Verfügung stellt. Verschleißbeständigkeit, Sterilisierbarkeit, Farbechtheit und UV-Beständigkeit sind nur einige der Vorzüge gegenüber anderen Materialien. Das 3D-Drucken - als Rapid Prototyping Verfahren - erlaubt es, Körper als äußere Schale mit innerer Stützstruktur zu konstruieren und ohne eine Form herstellen zu müssen. Damit können hinsichtlich des Gewichts und der Belastung optimierte keramische Bauteile und Modelle in kürzester Zeit erzeugt und Kosten eingespart werden.

Hannover Messe 2006
Rapid Prototyping – 3D-Drucken von keramischen Bauteilen
	Das technische Ziel dieses BMBF-Projektes (Förderkennzeichen 1711303) besteht darin, das 3D-Drucken von keramischen Bauteilen direkt aus dem CAD-Programm zu ermöglichen und das Verfahren in der keramischen Industrie zu etablieren. Damit wird die Erzeugung von Urformen, Modellen, Mustern und Prototypen ohne großen Zeit- und Kostenaufwand möglich, so dass die Hürde zur Entwicklung und Realisierung „Neuer Produkte“ drastisch reduziert wird. Anders als bei traditionellen Verfahren, wie etwa Prototypen aus dem Vollen zu schnitzen oder durch Sägen, Drehen, Bohren und Fräsen herzustellen, wird bei diesem schnellen Verfahren des 3D-Druckens der Werkstoff schichtweise aufgebracht und entsprechend der in Schichten zerlegten Konstruktion mit einem Kleber verfestigt. Nach dem Druckvorgang wird der Prototyp vom überschüssigen Pulver befreit und kann getrocknet, entbindert und gesintert werden. Dabei auftretende Schwindungen und Verformungen werden durch ein Geometrievermessungssystem erfasst. Die Ergebnisse werden verwendet, um durch geeignete konstruktive Maßnahmen die gewünschte Bauteilgeometrie zu erreichen und so Fehler auszugleichen. Das wissenschaftliche Ziel besteht darin, einerseits mittels 3D-Druckens qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen und andererseits die Auswirkungen der speziell zu konstruierenden inneren Struktur auf die Geometrie des Bauteils zu untersuchen. Bauteile können mit homogener Dichte oder als Schalen mit innerem Stützgerüst erzeugt werden. Durch das Verfahren kann die Masse des Bauteils deutlich reduziert werden. Dies ist z.B. für Flieg- und Fliehteile mit hoher Dynamik sehr bedeutsam, aber auch für Produkte aus dem Schmuck- oder Sanitärbereich. Andere Verfahren, gezielt einen inneren Aufbau zu konstruieren, sind nicht bekannt. Infolge der Realisierung einer CAD-Konstruktion können Kanalstrukturen, Knochennetzwerkstrukturen, hohlwandige Filter, Gradientenstrukturen und sonstige Hohlkörper hergestellt werden.
Tiefziehen keramischer Folien
	Die Aufgabe in diesem BMBF-Projekt (Förderkennzeichen: 1709201) bestand darin, zu untersuchen, ob das Verfahren des Tiefziehens auf keramische Folien zur Herstellung dünnwandiger Bauteile in Form von Schalen erfolgreich angewendet werden kann. Es wurden Ingredienzien für keramische Rezepturen gefunden, die der Foliengießmasse ausreichende Plastizität analog der Eigenschaften der Metallbleche und Polymerfolien mitgeben. Die Keramikfolien wurden nach Aufbereitung des Schlickers auf einer Foliengießanlage gegossen, unter Hauben verzögert getrocknet und in Folienhüllen verpackt gelagert. Zur Erzeugung einer dreidimensionalen Geometrie wird die keramische Grünfolie mit Hilfe geeigneter Werkzeuge (Stempel, Niederhalter und Matrize) verformt oder – wie in der Verpackungsindustrie üblich – durch mittels Vakuum in eine Form gesogen. Es wurden Keramikfolien aus Al2O3, Al2O3 + ZrO2, ZrO2, SiC und Si3N4 erfolgreich hergestellt und tiefgezogen. Verformungen bis 200% wurden realisiert. Die Systeme mit ZrO2 erwiesen sich als optimal. Die Dichte lag bei diesen bei 90% der theoretischen Dichte. Alle anderen Keramiken lagen bei ca. 75%. Die gemessenen Festigkeitswerte waren unter Berücksichtigung der offenen Porosität im normalen Bereich der Kennwerte. Die Extrapolation für Al2O3 auf 100% der theoretischen Dichte liefert Kennwerte um 500MPa. Die Gefüge zeigen eine sehr gleichmäßige Porengröße und Verteilung. Das Gefüge scheint optimal geeignet für Filtration im µm-Bereich. Mit Hilfe des Tiefziehens können dünnwandige dreidimensionale keramische Schalenkörper auf sehr einfachem Weg aus gelagerten Grünfolienbändern bei Bedarf (lean production) hergestellt werden. Die mechanische Steifigkeit und Stabilität kann durch Hinterfüttern mit Faserkörpern oder Leichtbeton erreicht werden.