Relation of process parameters and green parts quality in the Layerwise Slurry Deposition Print process of SiSiC
Die Nachfrage nach großen, dichten keramischen Bauteilen mit komplexen Strukturen steigt. Solche Teile werden beispielsweise in der Halbleiterindustrie, aber auch in der Luft- und Raumfahrt gebraucht. Bisher gibt es kaum kommerzielle additive Fertigungsverfahren, die neben der Produktion von Bauteilen mit den benötigten Geometrien und Größen die Anforderungen an die Materialeigenschaften der Teile erfüllen können. Die Methode des schlickerbasierten Binder Jettings hat das Potential diese Lücke zu füllen. In dieser Dissertation wird der Einfluss der verwendeten Materialien im schlickerbasierten Binder Jetting, insbesondere dem schichtweisen Schlickerauftragsverfahren, engl.: layerwise slurry deposition print (LSD-print), auf die Grünbauteileigenschaften untersucht. Statt mit einem Pulver wie im klassischen Binder Jetting wird bei diesem Verfahren mit einem Schlicker gearbeitet, der in dünnen Schichten aufgebracht wird. In jeder Schicht wird der Querschnitt des zu druckenden Objekts durch Aufdrucken einer Tinte, die den Zusammenhalt der Partikel erzeugt, eingebracht. Die Verwendung eines Schlickers statt eines Pulvers ermöglicht eine hohe Packungsdichte und somit die Herstellung dichter keramischer Bauteile. Zum Schichtauftrag mittels Schlicker gibt es bereits einige Publikationen. Die Erkenntnisse daraus sind in dieser Arbeit zusammengefasst und hinsichtlich der verschiedenen Parameter übersichtlich dargestellt. Im Gegensatz dazu ist die Wechselwirkung zwischen Tinte und Pulverbett bisher kaum betrachtet worden. In dieser Dissertation wird, beispielhaft für andere Schlickeradditive, insbesondere der Einfluss des Dispergatorgehalts auf die Interaktion zwischen Pulverbett und Tinte experimentell anhand von Kontaktwinkelmessungen, Festigkeitstests sowie weiteren chemischen und physikalischen Analysen untersucht. Es zeigt sich, dass ein zu hoher Dispergatorgehalt dazu führt, dass die Auflösung der Druckprozesses und die Festigkeit der Teile gegenüber Teilen mit einem geringeren Dispergatorgehalt reduziert wird. Hier muss ein Kompromiss zwischen der Sedimentationsstabilität des Schlickers und den Eigenschaften der gedruckten Bauteile gefunden werden. In einem weiteren Teil werden aufbauend auf den Erkenntnissen zu möglichen Wechselwirkungen zwischen Schlickerkomponenten und Tinte die besonderen Anforderungen an die Tinte im schlickerbasierten Binder Jetting erarbeitet. In Erweiterung zu üblichen Testverfahren im pulverbasierten Binder Jetting ist unter anderem ein Kompatibilitätstests zwischen Tinte und Schlicker anhand von gegossenen Proben für Festigkeitstests aus einer definierten Mischung beider Materialien notwendig. Die teilweise aus der Literature bekannten Einflussfaktoren sind mittels eines Fischgrätendiagramms dargestellt und werden anhand von eigenen Experimenten genauer untersucht oder mittels Literaturrecherche kapitelweise erörtert. Die so erweiterte Wissensbasis ist Grundlage für die Industrialisierung des Prozesses. Der nächste Schritt vor dem industriellen Einsatz des LSD-print Verfahrens ist die Arbeit mit größeren (kommerziellen) Maschinen, um die Ergebnisse auf eine breitere statistische Basis zu stellen und die geforderten Bauteilgrößen fertigen zu können.
Additive manufacturing (AM) can enable the production of complex-shaped components which, among other benefits, enables lightweight constructions for the aerospace and semiconductor industries. The production of thick-walled dense ceramic parts using these manufacturing methods is still a challenge and, especially for large-sized components with a reasonable surface finish, no suitable industrial solution is currently available. The layerwise slurry deposition print (LSD-print) process, which is a slurry-based binder jetting process (S-BJT) designed for ceramic part production, has the potential to produce such parts. In this approach, a part is built up by inscribing the cross-section of each part on a deposited slurry layer with ink applied by ink jet printing, whereby the ink drops bond the particles of a defined part to each other. To enable the production of thick-walled dense ceramic parts the green part properties play a major role. The packing density of the formed powder bed is one of the major influencing factors on the part quality and a literature review was done to summarize the influences on powder bed density when using a slurry or powder feedstock. The results indicate that the benefit of a high packing density of the slurry-based process is counteracted by a more time-consuming printing approach due to the necessary drying steps of the slurry layer and the redispersion process to remove the excess powder. Little research has been conducted on the interaction of the ink with the slurry. In this dissertation, the impact of the concentration of the dispersant on the reciprocal action between the ink and powder bed as an example of the influence of other slurry additives is investigated and the findings show that a large amount of dispersant can lead to a low resolution and even dissolution of the part during the removal of unbound particles by redispersion in water. As a result, a significant decrease in the biaxial strength of printed parts is observed. Based on these findings, tests were developed to prove the compatibility between the ink and slurry. For example, mixtures of slurry and ink were cast, and the biaxial strength of the green parts was tested by the ball on three ball method whereby the entire ink selection procedure for the S-BJT is elaborated. This dissertation summarizes the current state of knowledge concerning the LSD-print process and introduces novel aspects, especially concerning the interaction between the ink and the powder bed. The influencing parameters are presented in a Fishbone diagram and each branch is discussed in a chapter. The knowledge derived from this work is relevant for promoting the industrial application of the LSD-print process. In the next step (commercial) machines with a larger build volume will ensure the generation of a broader statistical basis for the results and enable the printing of large-sized, thick-walled dense ceramic parts with complex geometries as required in several industrial applications.