Prozessentwicklung von generativ gefertigten ZrO2-Bauteilen

Abstract

Die sowohl mechanisch als auch optisch sehr guten Eigenschaften von Hochleistungskeramiken, im speziellen ZrO2, in Kombination mit der Entwicklung von generativen Fertigungstechniken führt zu der Erschließung neuer Einsatzbereiche des Materials. Der schichtweise Aufbau von Keramiken nach einem CAD-Modell ermöglicht die Herstellung von Prototypen sowie Kleinserien komplexer Geometrien mit geringem Aufwand. Zur Prozessentwicklung von - mit dem -Lithography-based Ceramic Manufacturing--Verfahren - generativ gefertigten ZrO2-Bauteilen wurde die Formulierung und die Aufbereitung der eingesetzten Materialmischungen bearbeitet, sowie die Optimierung eines von der Firma Lithoz GmbH eingesetzten Temperaturprogrammes unter anderem mittels TG/DTA, TMA und Dilatometrie durchgeführt. Des Weiteren wurde der Einfluss verschiedener Färbezusätze und deren Einbringungsarten auf das Material untersucht. Die Verwendung einer Polymermatrix mit geringer Netzwerkdichte führt zu einer vereinfachten Entbinderung und Sinterung der Grünkörper. Die Zugabe von hochvernetzenden Monomeren bewirkt eine höhere Stabilität der Grünkörper. Durch zusätzliche Haltezeiten im Bereich zwischen 100 °C und 170 °C können rissfreie Bauteile bis zu einer Wandstärke von 7,5 mm erhalten werden. Die Erhöhung der Abkühlgeschwindingkeit führt außerdem zu einer Verkürzung des Temperaturprogrammes. DesWeiteren zeigt sich, dass die starke Absorption von Licht durch Färbezusätze negative Auswirkungen auf den Bauprozess hat. Ferner wird die charakteristische Biegefestigkeit durch den Einsatz von Färbezusätzen und deren inhomogene Verteilung im Material herabgesetzt. Eine Fertigmischung aus Nd2O3 und ZrO2 erzielt die besten mechanischen Eigenschaften bezüglich der Auswahl der Färbezusätze.

The very good mechanical as well as optical properties of high-performance ceramics, in particular ZrO2, in combination with the development of additive manufacturing, which allows the construction of three-dimensional structured components based on a CAD model, leads to the development of new applications for high-performance ceramics. Therefore, the production of prototypes and small series of complex geometries with little effort is possible. The further development of additive manufactured ZrO2 parts using the -Lithographybased Ceramic Manufacturing- process was performed. The main focus was put on the formulation and the material processing as well as the optimization of the temperature program developed by the company Lithoz GmbH using TG/DTA, TMA and dilatometry. Furthermore, the effect of various colour additives and their introduction in the material was examined. The debinding and sintering of green parts can be simplified by using a polymer matrix with a low network density. When highly crosslinking monomers are added, an increase of the stability of green parts can be achieved. Furthermore, the insertion of additional dwell times in the region between 100 °C and 170 °C leads to crack-free parts up to 7,5 mm wall thickness. Through the increase of the cooling rate, the temperature program could be significally shortened. Colour additives influence the building process negatively due to their strong absorption of light. In addition colour additives also have a negative impact on the bending strength of the material based on their inhomogeneous distribution. The best mechanical properties concerning colour additives can be achieved by using a ready mix of Nd2O3 and ZrO2.