Optimierung der Binderzusammensetzung eines Schlickers für den keramischen 3D-Druck mittels Design of Experiment

Abstract

Die additive Fertigung von Keramiken mittels des LCM-Verfahrens (Lithography-based manufacturing) der Firma Lithoz ist eine Variante der Stereolithographie. Von der Herstellung des Schlickers – einer Mischung von Keramikpulver und organischem Binder – bis zum gesinterten Bauteil sind eine Vielzahl an Prozessschritten nötig. Der Einfluss der einzelnen Komponenten des Binders auf die Eigenschaften des keramischen Werkstücks ist daher oft schwer nachzuvollziehen und das Eruieren einer optimalen Zusammensetzung aufgrund noch nicht näher erforschter Wechselwirkungen problematisch.Als Modellsystem wurde ein Zirkoniumdioxidschlicker herangezogen, die Anteile der vier Komponenten des Binders wurden variiert. Hierfür wurde softwareunterstützt ein statistischer Versuchsplan (Design of Experiment) erstellt, gemäß welchem 20 Schlickermischungen hergestellt und anschließend charakterisiert sowie zu Bauteilen prozessiert wurden. Die Lagerstabilität des Schlickers wurde mittels Oszillationsrheologie und seine Reaktivität mittels Photorheologie gemessen. Gedruckte Teile vor ihrer thermischen Prozessierung wurden im Zugversuch geprüft und keramische Proben hinsichtlich ihrer Biegefestigkeit und der maximalen erzielbaren Wandstärke untersucht. Darüber hinaus wurden die Messdaten von Schlicker-, Grünteil- und keramischer Eigenschaften mittels multivariater Regression untersucht, um Korrelationen zu finden, was es ermöglichen soll, Voraussagen über die Eigenschaften gesinterter Teile zu treffen, ohne den Temperaturbehandlungsschritt durch-führen zu müssen.Die errechneten Modelle lieferten eine gute Beschreibung erwarteter als auch Hinweise auf bisher unbekannte Effekte. Wichtigstes Beispiel für Letzteres ist die Beschreibung des Zusammenhangs von Vernetzung des Polymers und der Biegefestigkeit des gesinterten Teils, welche mit der Steifigkeit des Grünteils in einem quadratischen Zusammenhang verknüpft sein dürfte. Zudem sind die Modelle Grundlage für die Berechnung der optimalen Zusammensetzung hinsichtlich der Zielgrößen Biegefestigkeit und Wandstärke. Die Prüfung der Verifizierungsmischungen optimaler Zusammensetzung lieferten jedoch kein zufriedenstellendes Ergebnis, was an zeitlichen Einflüssen liegen dürfte. Die multivariate Datenanalyse zeigte, dass die Bruchdehnung eine geeignete Größe zur Prognose der erzielbaren keramischen Wandstärken darstellt, was in der Binderentwicklung potenziell große Zeitersparnis bringen kann.

The additive manufacturing of ceramics using the LCM process (lithography-based manufacturing) by Lithoz is a variant of stereolithography. From the production of the slurry - a mixture of ceramic powder and organic binder - to the sintered component, a large number of process steps are necessary. The influence of the individual components of the binder on the properties of the ceramic workpiece is therefore often difficult to understand, and finding an optimum composition is problematic due to interactions that have not yet been investigated in detail.A zirconia slurry was used as a model system, and the proportions of the four components of the binder were varied. For this purpose, a design of experiment was created with the aid of software, according to which 20 slurry mixtures were prepared and subsequently characterized and processed into printed parts. The storage stability of the slurry was measured by oscillation rheology and its reactivity by photorheology. Green bodies were tested in tensile tests and the flexural strength and maximum achievable wall thickness of ceramic pieces was characterized. In addition, the measured data of slurry, green part and ceramic properties were correlated by multivariate regression to find connections which allow predictions to be made about the properties of sintered parts without having to actually produce them.The calculated models provided a good description of expected effects as well as indications of previously unknown effects. The most important example of the latter is the description of the relationship between the crosslinking of the polymer and the flexural strength of the sintered part, which is likely to be linked to the stiffness of the green part in a quadratic relationship. In addition, the models are the basis for calculating the optimal composition with respect to the target parameters of flexural strength and wall thickness. However, testing of the verification mixtures with optimal composition did not provide a satisfactory result, which is likely to be due to temporal effects. Multivariate data analysis showed that elongation at break is a suitable parameter for predicting the achievable ceramic wall thicknesses, which can potentially save a lot of time in binder development.