Self-organizing post process for two color powder bed 3D printing of preceramic polymer
Die Additive Fertigung zieht aufgrund ihrer potenziellen Fähigkeit, sowohl komplizierte geometrische Strukturen als auch eine hierarchische Materialzusammensetzung maßzuschneidern, große Aufmerksamkeit auf sich. Das schichtbasierte Akkumulationsprinzip führt jedoch auch zu einem "Treppeneffekt" an den Außen- und Innenflächen der gedruckten Teile. Dies schränkt die Oberflächenqualität, die Schüttdichte und die Homogenität des hergestellten Teils ein. Diese Dissertation zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch die Anwendung des Selbstorganisations-Postprozesses auf den 3D-Pulverbettdruck zu bewältigen. Zwei Lösungen wurden als Selbstorganisationsprozess angewandt. Es handelt sich dabei um die kapillarkraftgetriebene Infiltration und das oberflächenspannungsgetriebene Kriechfließen an der freien Oberfläche. Zur Durchführung der Lösungen wurden abgestufte Verbundteile durch zweifarbigen 3D-Pulverbettdruck aus präkeramischem Polymerpulver hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Oberflächenqualität und die Schüttdichte erheblich verbessert werden können und optisch transparente Teile mit der letztgenannten Lösung möglich sind. Die letztgenannte Lösung wurde weiter angewandt, um die Machbarkeit bei der Herstellung komplexerer Geometrien und der Entwicklung programmierbarer Materialien durch die Ausrichtung von Partikeln im Material und die Anpassung der mikroskaligen Textur zu testen. Durch Selbstorganisation wurden Gyroide minimale Oberflächenstrukturen erreicht. Anschließend wurden die 3D-gedruckten präkeramischen Polymerkörper durch thermische Pyrolyse in SiOC-Keramik Komponenten durch thermische Pyrolyse Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial der Selbstorganisation bei der Verbesserung der Qualität der 3D-gedruckten Teile in Bezug auf Oberflächenrauhigkeit, Dichte und Homogenität. Die Infiltrationsmethode kann in den Fällen angewendet werden, in denen eine bestimmte Geometrie erforderlich ist. Der Ansatz der freien Oberflächenströmung ist sehr vielseitig und kann bei der lokalen Geometrieoptimierung eingesetzt werden, um eine optimale Form für leichte Strukturen zu finden. Außerdem kann er bei der Herstellung transparenter optischer Komponenten und bei der Manipulation der mikrostrukturellen Textur zur Programmierung der Materialeigenschaften eingesetzt werden. Die additive Fertigung von präkeramischen Polymeren bietet ein bemerkenswertes Potenzial für die Herstellung keramischer Komponenten mit komplexer Geometrie und maßgeschneiderter Zusammensetzung. Es profitiert von der Flexibilität der Formgebung von Polymerwerkstoffen, und die gedruckten Polymerteile können in Keramiken mit maßgeschneiderter Zusammensetzung umgewandelt werden.
Additive Manufacturing (AM) is attracting vast attention due to its potential capability to tailor both complicated geometrical structures and hierarchical material composition. However, the layer-based accumulating principle also introduces a “stair-stepping effect” to the external and internal surfaces of the printed parts. This limits the manufactured part’s surface quality, bulk density, and homogeneity. This dissertation aims to address these challenges by applying the self-organization post-process onto powder bed 3D Printing. Two solutions were applied as self-organization process. They are capillary-force-driving infiltration and surface-tension-driving free surface creeping flow. To carry out the solutions, graded composite parts were prepared by two colored powder bed 3D printing from preceramic polymer powder. The results demonstrate that the surface quality and bulk density can be significantly improved, and optical transparent parts are achievable by the latter solution. The latter solution was further applied to test the feasibility in manufacturing more complex geometries and developing programmable material by particle alignment in the material and tailoring the micro-scale texture. Gyroid triply periodic minimal surface structures were achieved by self-organization. Then the 3D printed preceramic polymer bodies were converted into SiOC ceramic components by thermal pyrolysis These results demonstrate the potential of self-organization in improving the quality of the 3D printed parts in terms of surface roughness, density, and homogeneity. The infiltration method can be applied in the cases where determined geometry is required. The free surface flow approach is highly versatile and can be applied in local geometry optimization to find an optimal form for lightweight structure. In addition, it can be applied in fabricating transparent optical components and in manipulating the microstructural texture to program the material properties. Additive Manufacturing of preceramic polymers shows remarkable potential in fabricating ceramic components with complex geometry and tailored composition. It benefits from the flexibility of shaping polymer materials, and the printed polymer parts can be converted into ceramics with customized composition.
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