Generative Fertigung von Bauteilen aus Siliziumnitrid

Abstract

Im Gegensatz zu Metallen weisen viele nichtoxidische Keramiken eine hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen auf.<br />Innerhalb der Klasse nichtoxidischer Keramiken kommt Silziumnitrid eine besondere Bedeutung zu. Es weist einen geringen Ausdehnungkoeffizienten bei gleichzeitig geringer Dichte auf. Es ist imstande, hohen Belastungen zu trotzen, besitzt eine hohe Verschleiß- und Oxidationsbeständigkeit sowie eine relativ hohe Zähigkeit. All diese Eigenschaften machen es vor allem für Anwendungen im Bereich der Energietechnik interessant, wo hochwarmfeste Werkstoffe bei den geforderten Betriebstemperaturen bereits an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit angelangt sind. Daher eignet sich Siliziumnitrid für den Einsatz bei vielen verschiedenen Anwendungen der Automobilindustrie, in Wärmetauschern und in Turbinen.<br />Generative Fertigungsverfahren erlauben die schnelle und kostengünstige Erzeugung von funktionellen Bauteilen, die Fertigungsverfahren wie Gießen, Formpressen und maschinelle Bearbeitung überflüssig machen und umfassen nicht mehr nur die bloße Prototypenfertigung. Diese Fertigungsverfahren eignen sich vor allem zur Formgebung keramischer Werkstoffe für geometrisch anspruchsvolle Kleinserien. An der TU Wien wurde speziell hierfür ein System entwickelt, das sich durch eine hohe Flexibilität auszeichnet und die Erzeugung von Bauteilen sehr hoher Qualität ermöglicht. All dies begründet, warum die 'Blueprinter'-Reihe konventionellen Verfahren vorgezogen wird.<br />In dieser Arbeit wird das Ziel verfolgt, ein auf Siliziumnitrid basierendes Material zu erzeugen, das mit den Geräten der 'Blueprinter'-Reihe zu Bauteilen hoher Güte verarbeitet werden kann und aus dem Bauteile produziert werden können, die sich aufgrund ihrer ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften für den Einsatz in der Energietechnik, v.a. als Turbinenschaufeln, eignen. Diese Arbeit widmet sich somit der Variation der verwendeten photoreaktiven Schlicker, der Optimierung der fertigungstechnischen Prozessparameter hinsichtlich einer fehlerfreien Herstellung keramischer Strukturen mit guter Präzision und hoher Oberflächenqualität und dem Sintern der dabei entstandenen Bauteile.<br />Der erste Teil der Arbeit bietet dem Leser wesentliche Hintergrundinformationen für das Verständnis der im Rahmen der Forschungsarbeit eingesetzten Materialien und Methoden sowie der aus der Arbeit hervorgehenden Untersuchungsergebnisse.<br />Der zweite Teil der Arbeit befasst sich auf Basis dieser Kenntnisse mit der idealen Zusammensetzung des Schlickers, also dem System aus photoreaktivem Harz und Keramikpulver, das auf Siliziumnitrid unter Beigabe eines geringen Prozentsatzes von Yttriumoxid- und Aluminiumoxidpulver basiert. Anhand diverser Schlickerrezepturen werden die Wechselwirkung der darin enthaltenen Komponenten untereinander und deren Auswirkung auf die Schlickereigenschaften (Rheologie, Reaktivität, Verarbeitbarkeit) einerseits und auf das finale Produkt (Oberflächenqualität, Rissfreiheit) andererseits untersucht. Im Rahmen dessen wird auch die Eignung verschiedener auf dem Markt erhältlicher Pulvertypen der im Schlicker enthaltenen Feststoffbestandteile evaluiert. Weiters werden die für die generative Fertigung optimalen Prozessparameter des Blueprintersystems optimiert. Schlussendlich erfolgt die Auswahl eines geeigneten Verfahrens und Zeit-Temperaturverlaufs, um die so entstandenen Bauteile zu entbindern und zu sintern.

In contrast to metals many non-oxide ceramics have a high temperature resistance. Within the class of non-oxide ceramics silicon nitride is of special importance. It has a small coefficient of expansion while it has only a small value of density. It can withstand high loads, exhibits a high wear and oxidation resistance as well as high impact toughness. All these properties make it especially interesting for applications in the field of power engineering, where high heat resisting alloys have already pushed to its limit. Thereby silicon nitride is suited for the adoption in various applications of the automotive industry, heat exchangers and in turbines. Additive manufacturing processes allow the rapid cost effective fabrication of functional parts which make manufacturing processes such as casting, compression moulding and automatic processing unnecessary and include not only the fabrication of prototypes. These fabrication processes are suited especially for shaping ceramic parts for geometrically challenging small series. At the TU Vienna the 'blueprinter series' was developed to fulfill this task and can be distinguished by its high flexibility and the fabrication of parts of high surface quality. Because of all that the 'blueprinter series' can justifiedly be preferred over conventional procedures.<br />This research aims at developping a material based on silicon nitride which can be processed to high quality components by the devices of the 'blueprinter series' and which can be used to fabricate parts which are appropriate due to their outstanding mechanical properties for the application in power engineering, especially as turbine blades. Thus this paper is dedicated to the variation of the used photoreactive slurries, the optimization of the processing parameters regarding to the aim of an error-free processing of ceramic structures with high precision and high surface quality as well as to sintering of the thus fabricated parts. The first part of this work summarizes the valuable background information and results which this research is based on. The second part deals with the ideal composition of the slurry - the system of photoreactive resin and ceramic powder, which is based on silicon nitride to which a small percentage of yttria and aluminia is added. Investigated are on the one hand the effects of the contained components based on various slurry formulations on the slurry's properties (rheology, reactivity, processing), and on the other hand the final product. Furthermore in this paper the suitability of several powder types available on the market of the solid matter contained in the slurry is inspected. Besides the optimal process parameters for the blueprinter system was investigated. Finally, an appropriate process as well as a time-temperature-function is selected in order to entbinder and sinter the thus fabricated parts.