Doktorand an FH Südschweiz erzielt vielversprechende Ergebnisse mit hybridem Keramik 3D-Druck

Keramikarchitekturen bieten hervorragende thermomechanische Eigenschaften, eine hohe Festigkeit und sind außerordentlich temperaturbeständig. Sie lassen sich daher gut in extremen Umgebungen einsetzten, bei Brennern, im Wärmeaustausch, in der High-Tech-Industrie und der Raumfahrt. Leider sind sie wahnsinnig kompliziert zu fertigen und ihr Potential kann derzeit noch kaum in voller Bandbreite ausgeschöpft werden. Marco Pelanconi, Werkstoffingenieur und Doktorand an der SUPSI (Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana), ist es im Rahmen seiner Doktorarbeit gelungen, ein hybrides Druckverfahren mit komplexen Strukturen aus Keramik zu erarbeiten. In der Szene spricht man von einem Durchbruch im Keramik 3D-Druck.

Forschung wird an der FH Südschweiz im Vergleich zu anderen Fachhochschulen der Schweiz besonders hoch gehalten. Insgesamt fließen mehr als 46 Millionen Franken in die Ansätze der rund 800 Forschenden. Marco Pelanconi ist einer davon und forscht am Hybrid Material Laboratory (HM Lab) unter der Leitung von Professor Alberto Ortona unter anderem zu elektrischer und thermischer Energiespeicherung, Wärme-und Stofftauschern für Absorptions-Desorptionssystemen mit AM-Keramikarchitekturen und im Rahmen seiner Dissertation auch zum hybriden 3D-Druck von Keramik-Komplexen. Mithilfe der SLS-Technologie und dem Sintratec KIT konnte er nun vielversprechende Ergebnisse auf diesem Gebiet erzielen.

Marco Pelanconi arbeitete für seine Forschung zum hybriden Keramik 3D-Druck mit dem Sintratec KIT.

Das Besondere an seinem hybriden Druckverfahren ist die Kombination aus 3D-Druck und präkeramischer Polymerinfiltration. Dadurch erreichten die gedruckten Keramikteile im Nachhinein hervorragende Eigenschaften in Bezug auf deren Mechanik und Thermik. Mit der SLS-Technologie ist es möglich, komplexe Teile mit hoher Auflösung zu erhalten und die Mikorporosität der Teile zu kontrollieren, was bei anderen 3D-Drucktechnologien schwieriger ist. Pelanconi konnte so Polymervorformen mit SLS drucken. Die anschließenden Pyrolyse bei 1000°C sorgte dann für die erfolgreiche Umwandlung der Polymer-Strukturen zu Keramik. Am Schluss erfolgte eine Verdichtung durch die Infiltration von geschmolzenem Silizium. Dadurch erhielten die Teile aus Keramik eine hohe Dichte. Die ursprünglich aus PA12 gedruckten Formen schrumpften im gesamten Herstellungsprozess um ein Viertel, wiesen hingegen aber keine Verzerrungen der Form oder grobe Risse auf und überzeugten mit ihrer Festigkeit von 165 MPa.

Keramik 3D-Druck von komplexen Strukturen getestet

Pelanconi konzentrierte sich bei seiner Doktorarbeit vorrangig auf komplexe Formen. Daher stellte er zunächst zwei zylindrische, poröse Strukturen her: einen rotierenden Würfel und einen Gyroid. Die Wahl soll untermauern, dass die Methode Pelanconis durchaus für komplexe Formen geeignet ist, welche danach zufriedenstellende Ergebnisse in Form und Funktion aufweisen. Entscheidend bei seiner Forschung war unter anderem das Arbeiten mit dem richtigen Drucker, betont Pelanconi. Er arbeitete mit dem Sintratec KIT.

Sintratec ist einer der führenden Hersteller von 3D-Druckern in der Schweiz und spezialisiert auf Desktop-Modelle für das SLS-Verfahren. Beim Sintratec-KIT  kann der Nutzer nach Belieben Parameter wie Lasergeschwindigkeit und Temperatur modifizieren. Der Doktorand profitierte von dieser Vielseitigkeit und erzielte dadurch die ideale Porosität seiner Drucke, die für die weitere Infiltration maßgeblich waren. „Mit dem Kit konnten wir viele Druckparameter ändern, darunter die Oberflächentemperatur des Pulvers, die Schichtdicke, die Lasergeschwindigkeit, die Schraffurabstände und vieles mehr, wodurch sich die Porosität der 3D-Druckteile einfach steuern ließ“, erklärt Pelanconi die Vorteile des Sintratec KIT bei seinem Projekt. Mehr dazu erfahren Sie HIER.

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*Bildnachweise: Sintratec