Gruber, S. P. (2013). Lithography-based additive manufacturing of alumina parts [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/158694
Digital Light Processing (DLP) ist eine Projektionstechnik, die für lithographie-basierte generative Fertigungsverfahren eingesetzt werden kann. Generative Fertigungsverfahren wiederum, weithin als Rapid Prototyping oder 3D-Drucken bekannt, sind Verfahren, bei denen eine große Anzahl an dünnen ("kleinen") Einzelschichten zu einem ("großen") dreidimensionalen Objekt zusammengeführt werden. Essenziell für die Qualität des 3D-Ausdrucks ist ein störungsfreier Prozessablauf (Druckvorgang) von der ersten bis zur letzten Schicht. Im Rahmen der Arbeit (in Kooperation mit dem EU Projekt PHOCAM) wurde ein DLP-basierender 3D-Drucker entwickelt, welcher für die Verarbeitung von gefüllten photosensitiven Materialien (Schlicker) geeignet ist. Hierbei wird ein sinterfähiges Material (z.B. Aluminiumoxid) in Pulverform einem zähflüssigen, lichtempfindlichen Kunstharz beigemengt. Nach dem Druckvorgang wird das ausgehärtete Polymer, welches als Binder dient, thermisch abgebaut. Im letzten Prozessschritt, dem Sintern, wird das übergebliebene Füllmaterial (Keramikpulver) zu einer festen Struktur zusammengesintert. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Vorteile der generativen Fertigung auch für Materialien zu nützen, die grundsätzlich nicht für diese Verfahren geeignet wären. Die Entwicklung des Ausgangsmaterials, dem so genannten Schlicker, und dessen Prozessierung bis zum Endprodukt, dem Keramikteil, wurden in dieser Arbeit bewusst eng mit der Hardwareentwicklung vernetzt. Da nur mit einem gut abgestimmten System (Hardware-Material) Materialien wie Keramik zu hochqualitativen Bauteilen verarbeitet werden können. Der Füllgrad (Anteil an Pulver im Schlicker) ist hierbei einer der wichtigsten Faktoren bezüglich Verarbeitbarkeit und Materialqualität, er sollte über 50Vol% liegen, um hochqualitative Bauteile erzeugen zu können. Hohe Füllgrade sind jedoch mit hoher Viskosität verbunden, was einige Probleme mit sich bringt, wie z.B. hohe Reaktionskräfte, reduzierte Eindringtiefe des Lichtes und erschwerter Materialnachtransport. Das Zusammenspiel von moderner DLP-Technologie, speziellen Beschichtungsmechanismen und Belichtungsstrategien ermöglicht die Verarbeitung solcher hochviskoser Materialeien zu keramischen Bauteile mit nahezu beliebig komplexen Geometrien. Die erreichten Baugeschwindigkeiten von bis zu 10 mm/h und eine hochauflösender Strukturierung (Standard Belichtungsvolumen 25 µm in X, Y und Z) zeigen das Potential der Anlage auch für industrielle Anwendungen. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad von bis zu 55Vol% erfolgreich verarbeitet werde. Die gesinterten Aluminiumoxidbauteile weisen eine theoretische Dichte von bis zu 99,6% und hervorragenden mechanischen Eigenschaften (>500MPa Biegefestigkeit) auf, welche bei einer biaxialen Biegeprüfung bestätigt werden konnten.
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The present dissertation is concerned with Digital Light Processing (DLP), a projection technology, which can be used for lithography-based additive manufacturing. Additive manufacturing (AM) in turn, also referred to as rapid prototyping or 3D printing, is a process merging a large number of thin ("small") layers into a single ("big") three-dimensional solid. An accurate and flawless printing processes from the first to the last layer is the most crucial aspect for obtaining high-quality 3D-parts. Against this background, the thesis demonstrates and outlines the necessary components of a fully functioning printing process for alumina. The herein presented work (conducted in cooperation with the EU project PHOCAM) depicts the development of a DLP-based 3D-printer, suitable for processing filled photosensitive materials (slurry). Here, a sinterable material (such as alumina) in powder form is mixed with a liquid light-sensitive resin. After printing the cured polymer, which serves as a binder, it is thermally degraded in the drying and debinding process. Next, the remaining filler material (ceramic powder) is sintered together to a dense ceramic structure. This method incorporates the advantages of additive manufacturing for materials, which are in principle not suitable for this technology. The development of the source material, the so-called slurry, and its processing to the final product, the ceramic part, has been closely connected to hardware development. After all, intricate materials such as ceramic can only be processed to high quality parts by means of a well-tuned system (hardware-material). The solid loading (ratio of powder in the slurry) is one of the most important factors regarding processabillity and material quality. It should be above 50vol % in order to achieve high quality components. However, high solid loadings are associated with high viscosity, which entails problems such as high reaction forces, reduced penetration depth of light and aggravated material supply. Only the interaction of a modern DLP technology, a novel coating mechanism and custom-tailored exposure strategies enables the processing of viscous slurries to high-precision ceramic components with almost arbitrarily complex geometries. The achieved building speed of up to 10 vertical millimetres per hour and the high resolution of the AM-system (standard resolution in x, y and z is 25µm) clearly demonstrate the potential of the system for industrial applications. Slurries with solid loading up to 55vol% have been processed successfully with the herein developed AM-system. The sintered alumina parts have theoretical densities up to 99.6% and excellent mechanical properties (>500MPa, measured by biaxial bending test).
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Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zusammenfassung in deutscher Sprache