Einfluss von Kettenübertragungsreagenzien auf die Qualität von 3D gefertigten Zirkoniumdioxid-Bauteilen

Abstract

Additive Fertigungsverfahren haben in den letzten Jahren ein erhebliches Wachstum erfahren. Während diese Art der Fertigung für Polymere und Metalle schon länger in Verwendung ist, hat sich auch der Keramik-3D-Druck auf dem Markt etabliert. Die Vorteile der additiven Fertigungsmethode im Vergleich zu herkömmlichen Formgebungsmethoden keramischer Bauteile liegen mit der Schonung von Ressourcen und erhöhter Flexibilität des Designs klar auf der Hand. Während die Formgebung ursprünglicher Methoden teure Werkzeuge oder Gussformen vorsahen, können mittels 3D-Druck auch sehr komplexe dreidimensionale Bauteile ausgehend eines Computer-Aided-Design-Modells gedruckt werden. Die Technologie der Lithografiebasierten Keramikherstellung (engl. Lithography-based Ceramic Manufacturing LCM) basiert auf gezielter Belichtung photosensitiver Schlicker Schicht für Schicht. Der Schlicker stellt die Suspension keramischer Partikel in organischen Harzformulierungen, den sogenannten Bindern, dar. Die gedruckten Grünkörper werden anschließend thermisch nachbehandelt, um die organische Polymermatrix zu entfernen (Entbindern) und das Bauteil zu verdichten (Sintern). Defekte wie Risse oder Bruch des Bauteils sind die Hauptprobleme des thermischen Entbinderns. Eine Optimierung des organischen Binders kann für die Erzielung defektfreier Keramikbauteile von Nöten sein.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte der Einfluss von Kettenübertragungsreagenzien, im Speziellen der Einfluss von Thiolen und Addition Fragmentation Kettenübertragungsreagenzien (AFCT) auf die Qualität von 3D-gedruckten Zirkoniumdioxid-Bauteilen untersucht werden. Dabei sollte hinsichtlich Druckbarkeit und Entbinderbarkeit der Grünkörper beurteilt werden. Mit ersten Studien zur Reaktionskinetik konnten geeignete Binderformulierungen ausgewählt werden. Nach Optimierung der erforderlichen Druckparameter, insbesondere der Lichtdosen während des Druckprozesses, konnten defektfreie Grünkörper mit ausgewählten Schlickern gedruckt werden. Die Entbindervorgänge wurden mittels thermomechanischer und thermogravimetrischer Analysemethoden untersucht und die Rissbildung im Vergleich zu Referenzkörpern, gedruckt aus Schlickern ohne Kettenübertragungsreagenzien, untersucht. Es zeigte sich eine gute Druckbarkeit, sowie eine verbesserte Entbinderbarkeit bei Einsatz von Kettenübertragungsreagenzien, wobei diese bei Verwendung des AFCT-Reagenzes gegenüber des Thiols zusätzlich gesteigert war.

Additive manufacturing processes have experienced significant growth in recent years. While this type of manufacturing has been in use for polymers and metals for some time, ceramic 3D printing has also established itself on the market. The advantages of the additive manufacturing process over conventional methods of shaping ceramic components are clear, with resource conservation and increased design flexibility. While the original shaping methods involved expensive tooling or molds, 3D printing can be used to print very complex three-dimensional components from a computer-aided design model. The technology of lithography-based ceramic manufacturing (LCM) is based on targeted exposure of photosensitive slurries in a layer-wise fashion. The slurry represents the suspension of ceramic particles in organic resin formulations, called binders. The printed greenbodies are then thermally post-processed to remove the organic polymer matrix (debinding) and to densify the component (sintering). Defects such as cracking or fracture of the component are the main problems of thermal debinding. Optimization of the organic binder may be necessary to achieve defect-free ceramic components.In this work, the influence of chain transfer reagents, in particular the influence of thiols and addition fragmentation chain transfer (AFCT) reagents on the quality of 3D printed zirconia components should be investigated. This was to be evaluated in terms of printability and debindability of the greenbodies. With initial studies on reaction kinetics, suitable binder formulations were selected. After optimization of the required printing parameters, particularly the light doses during the printing process, defect-free greenbodies were printed with selected slurries. The debinding processes were investigated by thermomechanical and thermogravimetric analysis methods, and cracking was studied in comparison with reference greenbodies printed from slurries without chain transfer reagents. Good printability and improved debinding were observed when chain transfer reagents were used, and this was further enhanced using an AFCT reagent compared to a thiol.