Penn State entwickelt neues 3D-Druckverfahren für Hochleistungskeramik bei niedrigen Temperaturen
Die Vereinigten Staaten leisteten Pionierarbeit bei der Nutzung der additiven Fertigung im Verteidigungssektor und ihr Verteidigungsministerium (Department of Defense, DoD) finanziert die Forschung im Bereich der additiven Fertigung auch heute noch. Über das Office of Naval Research (ORN) vergab das Verteidigungsministerium einen Zuschuss in Höhe von 4,5 Mio. USD für eine multidisziplinäre Hochschulforschungsinitiative an Forscher der Penn State, die die Optimierung der Keramikherstellung für den 3D-Druck untersuchen. Dabei stand vor allem die Verarbeitung von Hochleistungskeramik bei niedrigen Temperaturen im Fokus.
Hochleistungskeramik wird häufig in der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Verteidigungsindustrie verwendet, da sie Tausende von Grad Celsius und schnelle Temperaturschwankungen aushalten kann, ohne sich zu zersetzen. Allerdings ist das Material schwierig herzustellen und noch schwieriger in 3D zu drucken. Um dieses Problem zu beheben, gewährte das Verteidigungsministerium den Forschern diesen Zuschuss in Höhe von 4,5 Millionen Dollar, damit sie den Einsatz der Laserbearbeitung zur Herstellung von Hochleistungskeramik bei niedrigeren Temperaturen untersuchen können. Die Wissenschaftler hoffen, die Herstellung von Keramik durch 3D-Druck zu ermöglichen, indem sie dieses Material bei niedrigeren Temperaturen produzieren.
Robert Hickey, einer der leitenden Wissenschaftler. (Bild: Matthew Carroll)
Robert Hickey, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Penn State University und einer der Teamleiter, und Michael Hickner, Professor an der Michigan State University, leiten das Team. Ihr Projekt trägt den Titel „Photochemical and Photothermal Additive Manufacturing of Preceramic Polymers“ (Photochemische und photothermische additive Herstellung von präkeramischen Polymeren) und zielt laut einem Artikel der Penn State University darauf ab, „ein einstufiges Verfahren zur Herstellung von keramischen Werkstoffen für ultrahohe Temperaturen ohne Massenerhitzung zu entwickeln“.
Hickey erläuterte das größte Hindernis bei der Herstellung von Keramiken. „Das große Problem bei der Herstellung von Keramiken sind die hohen Temperaturen und der hohe Energieaufwand“, sagte er. „Das ist ein Nachteil, vor allem für den 3D-Druck, der mit diesen Materialien derzeit nur sehr schwer präzise durchgeführt werden kann.“
Bei der Herstellung von Keramik wird derzeit ein Polymervorprodukt verwendet, das in der Masse auf hohe Temperaturen erhitzt wird. Durch diese Erhitzung werden die Polymervorläufer in Keramik umgewandelt, aber bis zu 50 % des Vorläufermaterials können dabei verloren gehen. Außerdem kann die Erhitzungstechnik die Geometrie des Keramikteils verändern. Um dieses Verfahren zu modifizieren, untersucht das Team der Penn State University, wie man stattdessen Polymervorläufer-Modelle durch Licht in das endgültige Keramikprodukt umwandeln kann.
Die Lösung, so glauben die Wissenschaftler, könnte in hochintensiven Lasern liegen. Diese Laser könnten chemische Reaktionen in den Vorläufermaterialien auslösen, sodass sie sich schnell zu gehärteten keramischen Werkstoffen verdichten, ohne dass die Masse erhitzt werden muss. Die Erhitzung des Materials mit Licht ermöglicht eine schnellere Verarbeitung als herkömmliche Methoden, was einen schnellen 3D-Druck ermöglichen würde.
„Es besteht ein großer Bedarf, die für die Umwandlung oder Herstellung dieser Keramiken erforderliche Energie zu reduzieren und größere Geometrieänderungen nach dem Druck und der Verarbeitung zu verhindern“, so Hickey. „Wir untersuchen also, wie man Polymere mit Hilfe von Licht in Keramiken umwandeln kann, mit dem Endziel, Hochleistungskeramiken in 3D zu drucken.“
Wie wird die Forschung den keramischen 3D-Druck voranbringen?
In dem Artikel der Penn State University heißt es: „Das Projekt umfasst die Synthese neuartiger Ausgangsstoffe, die Erforschung verschiedener Möglichkeiten zur Förderung der lichtbasierten keramischen Umwandlung, die Gewinnung rechnerischer Erkenntnisse über die Reaktionsumwandlungswege und die Rückführung der Erkenntnisse auf die Entwicklung und Synthese von Ausgangsstoffen.“ Diese Erkenntnisse wären nützlich für die Herstellung fortschrittlicher Hyperschallfahrzeuge, die bei extrem hohen Temperaturen funktionieren müssen.
„Dieses Programm wird neue Wege zur additiven Herstellung keramischer Werkstoffe für eine Reihe von Hochtemperatur-Metallcarbiden wie Wolframcarbid und siliziumbasierten Keramiken wie Siliziumcarbid und Siliziumnitrid eröffnen“, sagte Adri van Duin, Penn State Professor für Maschinenbau und Co-PI. „Darüber hinaus werden neue Rechenkapazitäten aufgebaut, um hochenergetische Reaktionszwischenprodukte vorherzusagen, die zur Entwicklung neuer Ausgangsstoffe und Verarbeitungsprozesse genutzt werden können.“ Mehr zum Projekt der Penn State finden Sie HIER.
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*Titelbildnachweis: Siliziumkarbid, eines der Materialien, mit denen gearbeitet wird, in seiner mineralischen Form.
