Two-Photon-Polymerization for Powder Processing of Ceramics

Sänger, Johanna Christiane

Diese Arbeit ist ein Proof-of-Concept. Aus vorangegangenen Experimenten und der Literatur war zu erahnen, dass ein klassisch gemahlener keramischer Schlicker nicht für die Verwendung mit der Zwei-Photonen-Polymerisation geeignet ist. Die keramischen Partikel können nicht klein genug aufgemahlen werden, um die Lichtstreuung auszuhebeln, welche essentiell für den Prozess ist. Keramische Partikel in geeigneter Größe finden sich in kommerziell erhältlichen Suspensionen. In dieser Studie wurden vor allem Aluminium- und Zirkonoxid-Partikel verwendet um daraus Aluminium-verstärktes Zirkonoxid (ATZ) herzustellen. Die Partikel sind in Wasser suspendiert und mussten erst noch in einen photo-vernetzbaren Schlicker überführt werden. Dies erfolgte mittels der wasserlöslichen Acrylamid (AM) und N,N'-Methylenbisacrylamid (MBAM) und eines geeigneten Photoinitiators. Der entstandene Schlicker wurde hinsichtlich seiner rheologischen und optischen Eigenschaften untersucht und stellte sich als für die Zwei-Photonen-Polymerisation geeignet heraus. Während und nach dem Drucken müssen verschiedene Aspekte beachtet werden damit die gewünschten Geometrien zerstörungsfrei in eine keramische Struktur überführt werden können. Die Prozesse konnten so weit optimiert werden, dass eine dreidimensionale SchwarzP Struktur gedruckt werden konnten, die nur noch leicht verzerrt ist durch den unterschiedlich starken Schrumpf zwischen Grundplatte und Volumen. Der keramische Charakter der Strukturen konnte mittels Energiedispersiver-Röntgenspektroskopie (EDX) nachgewiesen werden. Dabei konnte unter anderem festgestellt werden, dass die beiden keramischen Spezies Aluminium- und Zirkonoxid sich während des Sinterprozesses entmischen und große Kristallite bilden. Daraus ließ sich ableiten, dass der Sinterprozess noch weiter optimiert werden kann. Zusammengefasst ergeben die Ergebnisse einen positiven Proof-of-Concept: Es wurde ein heterogener Schlicker entwickelt, welcher zum einen flüssig, photo-vernetzbar und transparent ist und zum anderen genügend keramische Partikel enthält, um stabile Strukturen zu sintern. Damit wird der 3D-Druck hochpräziser keramischer Bauteile mit enormen Freiheitsgraden ermöglicht, was mit keiner anderen Technologie erreichbar ist. Die wichtigste Grundlage dafür sind stabilisierte Suspensionen von keramischen Nano-Partikeln.

No industry stays untouched by additive manufacturing and its huge potential to revolutionize our manufacturing processes. 3D-printed ceramic parts are of rising interest, due to their unique chemical, mechanical and electrical properties. The Two-Photon-Polymerization as a stereolithography technology stands out with its high resolution in the small micrometer- down to nanometerrange and its operation freedom to print freely in the three-dimensional volume. Utilizing this process to produce high precision ceramic parts opens a new order of magnitude to ceramic manufacturing. Therefore, a completely new resin is needed, which meets the requirements of the Two-Photon-Polymerization and ceramic processing. In this study a resin was developed regarding the rheological, optical and photocuring requirements and printed into three-dimensional figures. That ought to be debinded and sintered to gain fully ceramic three dimensional structures of alumina toughened zirconia (ATZ), as an example of techni

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Sänger, Johanna Christiane: Two-Photon-Polymerization for Powder Processing of Ceramics. Clausthal-Zellerfeld 2021.

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