Rapid prototyping of functional demonstrators for integrated ceramic components using microfluidics and electrophoretic deposition
Coating and Surface Technology
Final Report Abstract
Im vorliegenden Vorhaben wurde untersucht, in wie weit die Kombination von Mikrofluidik mit elektrophoretischer Formgebung zur additiven Herstellung von Keramikbauteilen genutzt werden kann. Mit Verfahren der Mikrofluidik sollte die räumliche Strukturierung und Materialdifferenzierung erfolgen, während die elektrophoretische Abscheidung für die Ausbildung einer homogenen Mikrostruktur sorgt. Eine Versuchsanlage wurde im Rahmen des Projekts aufgebaut, die eine kontrollierte elektrophoretische Abscheidung von Keramikpartikeln, die aus Hohlelektroden zugeführt werden, auf porösen Membranen ermöglicht. Parallel dazu wurden die Trajektorien keramischer Partikel in Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität in elektrischen Gleichspannungsfeldern untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine spezielle Mikrofluidikkammer entwickelt. Schließlich wurden Finite-Elemente-Modelle zur Feldverteilung und zur Partikelbewegung entwickelt, mit denen die experimentellen Ergebnisse verglichen wurden. Bei den Versuchen traten eine Reihe nicht erwarteter Phänomene auf: elektrohydrodynamische Effekte und nichtelektrisch verursachte Strömungen des Lösungsmittels, die die Ausbeute und Reproduzierbarkeit sowie die Eigenschaften der abgeschiedenen Strukturen beeinflussten, z.B. wurden unter bestimmten Bedingungen dendritische Abscheidungen identifiziert. Die Wanderungsrichtung der Partikel war in hohem Maße von den Eigenschaften des Lösungsmittels abhängig. Die Untersuchungen zu den Trajektorien in Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität lieferten neue, interessante Erkenntnisse zu elektrokinetischen Phänomenen. In Ethanol konnten strukturierte Abscheidungen aus Al2O3-Partikeln mit hoher Dichte und Homogenität hergestellt werden. Es wurde eine laterale Auflösung von ca. 200 µm erreicht, was schlechter ist als z.B. bei der Stereolithografie. Die Aufbaurate lag mit 700 µm/min in einem akzeptablen Bereich. Weitere Verbesserungen der lateralen Auflösung durch eine bessere Verteilung der elektrischen Felder sind denkbar. Allerdings erscheint die Aufbaurate bereits weitgehend ausgereizt, so dass die Druckgeschwindigkeit nur durch eine parallele Abscheidung aus Hohlelektroden-Arrays erhöht werden kann. Zur Einstellung der benötigen Potentialverteilung werden dann Arrays aus elektrostatischen Linsen benötigt. Die im Projekt erarbeiteten FE-Modelle können für die Auslegung der elektrischen Felder genutzt werden.
Publications
- (2020) Towards local deposition of particles by electrophoresis in dc electric fields in polar and nonpolar media and mixtures thereof. Ceramics International 46 (11) 17857–17866
Schäfer, M.; Vogt, L.; Raether, F.; Kurth, D. G.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.04.092) - Usability of Electrophoretic Deposition for Additive Manufacturing of Ceramics, Ceramics International, 45(2019) 14214-14222
L. Vogt, M. Schäfer, D. Kurth, F. Raether
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.04.129)
