Werkstoff- und Prozessanalyse zur Herstellung keramischer Werkstoffverbunde mittels badbasierter Photopolymerisation (VPP-LED)

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, wie einer hohen mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit, werden Keramiken in vielfältigen Anwendungen eingesetzt. Die Additive Fertigung, insbesondere mittels badbasierter Photopolymerisation (VPP), bietet neue Möglichkeiten zur Herstellung komplexer und individualisierter Keramikkomponenten. Eine vielversprechende Weiterentwicklung ist das Multi-Material Additive Manufacturing (MMAM), welches die Kombination verschiedener Materialien in einem Bauteil zum Ziel hat. Dadurch sollen die Bauteileigenschaften verbessert und neue Anwendungen erschlossen werden. Dazu ist es notwendig, die Materialien gezielt aufeinander abzustimmen und die Wechselwirkungen entlang der Prozesskette zu berücksichtigen. In der vorliegenden Arbeit werden daher Werkstoff- und Prozessanalysen durchgeführt und die Ergebnisse exemplarisch zur Herstellung keramischer Werkstoffverbunde mittels badbasierter Photopolymerisation angewendet. Dazu wird in einer Werkstoffauswahl ein vielversprechendes Werkstoffcluster, das sowohl synergetische Eigenschaften als auch ein hohes Potenzial zur gemeinsamen Verarbeitung entlang der VPP-Prozesskette aufweist, identifiziert. Es werden ein Bindersystem entwickelt, das mit nur geringfügigen Modifikationen für die ausgewählten Werkstoffe anwendbar ist, und geeignete Belichtungseinstellungen für den VPP-Prozess ermittelt. Zur automatisierten Reinigung der Bauteile werden Reinigungsstationen aufgebaut und optimierte Reinigungsstrategien identifiziert. Ferner wird ein Temperaturprofil zum schädigungsfreien Entbindern ermittelt und in weiteren Untersuchungen das Schrumpfungsverhalten der Proben verschiedener Materialien und Füllstoffgehalte während des Sinterprozesses analysiert. Es wird insbesondere betrachtet, wie sich Abweichungen von den typischerweise angewendeten Sinterbedingungen auf die Dichte und die mechanischen Eigenschaften der Bauteile auswirken. Basierend darauf wird ein Temperaturprofil zum gemeinsamen Sintern der ausgewählten Materialien abgeleitet. Die so ermittelten Erkenntnisse werden abschließend zur Herstellung von Werkstoffverbunden eingesetzt. Dabei werden die Ansätze des Sinterfügens sowie des Multi-Material-VPP angewendet. Die Arbeit demonstriert auf Basis einer Werkstoff- und Prozessanalyse das Potenzial der keramischen Multi-Material-Fertigung mittels VPP und bildet eine Grundlage für weitere Optimierungen und spezifische Anwendungen von keramischen Werkstoffverbunden.