Forscher entwickeln das stärkste 3D-gedruckte Aluminiumoxid
Forscher der Montanuniversität Leoben in Österreich, die für die Fachrichtungen Bergbau, Metallurgie und Werkstoffkunde bekannt ist, konnten Aluminiumoxid mit einer Zugfestigkeit von 1 GPa (entspricht 1.000 MPa) in 3D drucken. Dieses Projekt wurde durch den Multi-Material-3D-Drucker CeraFab Multi 2M30 des österreichischen Unternehmens Lithoz ermöglicht, welches auf die Entwicklung und Herstellung von Materialien und generativen Fertigungssystemen für den 3D-Druck von Knochenersatzmaterialien und Hochleistungskeramiken spezialisiert ist. Zusammen mit den Ingenieuren von Lithoz konnten die Forscher der Universität den schichtweisen Druckprozess nutzen, um kontrollierte Eigenspannungen zu erzeugen und so effektiv eine Art Aluminiumoxid zu erschaffen. Was das Aluminiumoxid betrifft, so zählt es zu den wichtigsten oxidkeramischen Werkstoffen und zeichnet sich durch hohe Härte, Korrosions- und Temperaturbeständigkeit aus. Bauteile aus Aluminiumoxid sind elektrisch isolierend, durchschlagfest und eignen sich daher für viele Anwendungen.
Eine Zugfestigkeit von 1 GPa durch Multi-Material-Ansatz
Bei der Zugfestigkeit handelt es sich um den Widerstand eines Materials gegen das Brechen unter Spannung. Sie gehört zu den wichtigsten Materialeigenschaften, da sie sowohl die Bruchgrenze sowie die Zähigkeit (zusammen mit der Duktilität) eines Teils aufzeigt. Je höher die Zugfestigkeit, desto besser. Dies gilt insbesondere für Bereiche, in denen strukturelle, mechanische Komponenten zu finden sind, wie z. B. im Bauwesen, in der Luft- und Raumfahrt oder der Automobilindustrie. Heutzutage kann der 3D-Druck gleichwertige oder sogar höhere Zugfestigkeiten als herkömmliche Kunststoffe für das Spritzgussverfahren (z. B. ABS) aufweisen, wie die Forscher der Montanuniversität Leoben und Lithoz unter Beweis stellen.
Mit dem CeraFab Multi 2M30 von Lithoz kann mit verschiedenen Materialien gedruckt werden (Bildnachweis: Lithoz).
Der Multi-Material-Ansatz wurde angewandt, indem Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Schichten zwischen äußeren reinen Aluminiumoxid-Schichten mit erheblichen Druckeigenspannungen eingebettet wurden. Da der 3D-Druck mit unterschiedlichen Materialien erfolgt, können die Forscher die Materialplatzierung in einer Art und Weise steuern, welche die Materialien während des Sinterns dichter als reines (bzw. monolithisches) Aluminiumoxid macht. Die Zugfestigkeit von 1 GPa – im Vergleich zu der Festigkeit von 650 MPa bei monolithischem Aluminiumoxid – konnte durch die verschiedenen Materialien und Temperaturen erreicht werden: Beim Sintern drücken sich die verschiedenen Materialschichten nämlich aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen noch stärker zusammen. Dies führt zu kontrollierten Druckeigenspannungen. Der Ansatz der Steuerung solcher Zug- und Druckeigenspannungen geht auf vorangehende hervorragende Ergebnisse zurück, wie z. B. auf das Gorilla-Glas, ein dünnes, vorgespanntes Glas, das vor allem zum Schutz für Smartphone-Bildschirme verwendet wird.
In den letzten Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um keramische Multi-Material-Architekturen mit verbesserter Festigkeit zu entwickeln. Das hat sich offensichtlich gelohnt: Bisher ist dies der erste Bericht über die Anwendung der additiven Fertigung zur Anpassung der Festigkeit von Aluminiumoxid-Keramik unter Ausnutzung des Schicht-für-Schicht-Druckverfahrens. Zu diesem Fortschritt hat unter anderem die Lithografie-basierte keramische Fertigungstechnologie (LCM) von Lithoz beigetragen, die auch die Herstellung von keramischen Massenwerkstoffen mit mechanischen Eigenschaften vorantreiben konnte. Dabei sollte erwähnt werden, dass Keramik sich aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften, wie z. B. Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit, besonders gut für den 3D-Druck und für Projekte dieser Art eignet. Das wird zudem verdeutlicht, wenn die additive Keramikfertigung mit herkömmlichen Keramikfertigungsverfahren verglichen wird, denn die Herstellung komplexer Geometrien mit traditionellen Verfahren ist extrem kostspielig, erfordert Spezialwerkzeug und gestaltet sich extrem schwierig.
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*Titelbildnachweis: xtra GmbH
