Selektives Laserschmelzen zur generativen Herstellung von Bauteilen aus Hochleistungswerkstoffen

Abstract

Die konventionelle Formgebung von Funktionsbauteilen aus Siliciumcarbid (SiC) beschränkt sich auf Gussverfahren, z.B. Pulverspritzguss (Powder Injection Moulding, PIM) und Pressverfahren, z.B. heißisostatisches Pressen (Hot Isostatic Pressing, HIP). Während im Fall von PIM eine Binderphase eingesetzt wird um aus hochtemperaturbeständigen SiC Partikeln einen Grünteil herzustellen, führen bei HIP Temperaturen von bis zu 2000°C und Drücke von 100-200 MPa zur Verdichtung und Sinterung des SiC Pulvers. In dieser Arbeit sollte die Nichtoxidkeramik SiC für die Verarbeitung in der generativen Fertigung adaptiert werden, dies gilt speziell für lithographische Methoden (Stereolithographie). Das flüssige Ausgangsmaterial, bestehend aus einer photosensitiven Polymermatrix und SiC Partikeln als Füllstoff, wurde an die Prozessbedingungen angepasst und Prüf- bzw. Demonstrationskörper hergestellt. Mit Hilfe von thermischen Analysen könnte ein optimales Entbinderungs- und Sinterprofil gefunden werden um Bauteile bis zu einer Wandstärke von 10 mm rissfrei herstellen zu können. Zur Steigerung der relativen Dichte wurden in weiterer Folge Sinteradditive und Infiltrate getestet. Ein anderes generatives Fertigungsverfahren, das selektive Laserschmelzen, bietet den Vorteil das pulverförmige Ausgangsmaterial ohne Binderphase direkt, entsprechend dem CAD Modell, zu einem physikalischen Bauteil schichtweise verschmelzen zu können. Hier sollte neben den bereits kommerziell erhältlichen Kunststoff- und Metallpulvern der Bereich der Keramikpulver hinzugefügt werden. Zu Beginn war es notwendig systematisch die entsprechenden anlagen- und materialspezifischen Anforderungen aufzustellen und ein Bewertungsschema zu entwickeln. Anhand dieser Selektion wurden danach Versuche durchgeführt um das Schmelz- und Erstarrungsverhalten zu untersuchen. Schrittweise wurden so Parametersätze für die ausgewählten, keramischen Werkstoffe ermittelt und dokumentiert. Neben rein-keramischen Pulvern wurden auch binderbasierte Varianten untersucht, hierzu wurde Polyamid 12 verwendet um Grünkörper herzustellen. Die Energiedichte des Laserstrahls wurde durch eine Strahlaufweitung und Laserleistungsreduktion durch Aufschmelzversuche auf den Binder eingestellt. Eine Bindermodifikation, die Beigabe von Industrieruß (Carbon Black), ermöglichte auch die erfolgreiche Verarbeitung von Oxidkeramikpulvern. Durch die Optimierung der Parameter konnte für die binderbasierten Keramikpulver im SLM Verfahren und für die Nichtoxidkeramik SiC im SLA Verfahren stabile Prozesse zur Herstellung von Bauteilen realisiert werden.

Conventional fabrication methods for silicon carbide (SiC) parts comprises on moulding techniques, like powder injection moulding (PIM), pressing techniques, like hot isostatic pressing (HIP) and solid state sintering (SSiC). While in case of PIM a binding phase is used to bond the high temperature resistive SiC particles and form green parts, the HIP technique use temperatures up to 2000°C and pressures from 100 - 200 MPa for densification. The aim of this thesis is the implementation of SiC in two different Additive Manufacturing Methods (AMTs), especially in the field of lithographic methods, like stereolithography. The ceramic slurry, which is used in such lithographic processes, contains a photosensitive polymeric resin filled with SiC particles. In a first step the slurry-properties were optimized for the structuring process to fabricate green parts with a layer thickness of 25 µm. By means of thermal analysis optimal debinding and sintering parameters have been found and porous SiC structures reproducible manufactured without any cracks or other defects (up to a probe diameter of 10 mm). In order to increase the density of the SiC parts different sintering aids and infiltrants were tested. Another AMT method, selective laser melting (SLM), offers advantages in terms of reduced process time. The powder-based material can be transferred into a 3-dimensional part without the need of a binding phase. Solutions for metal or polymer powders are already on the market - this work supports the basic understanding of the requirements for the adaption of ceramic materials in SLM. At the beginning a material screening routine identified relevant process and material properties and that supports the decision making process in terms of the material suitability. After that melting experiments and structuring tests were made in order to get optimal process parameters. Beside pure-ceramic powders also binding-based options were tested. For the fabrication of green parts a thermoplastic, polyamide 12, was used. By reducing the energy density (laser beam broadening, laser power reduction) and melting experiments the SLM machine (EOSINT M280, designed for metal powders) could been used also for structuring polyamide 12. By improving the parameters highly stable manufacturing processes for binding-based SiC in SLM and SLA could have been realized.