Additive Fertigung hochporöser, zellulärer keramischer Strukturen mit bisher unerreichter spezifischer Festigkeit auf der Basis von Kapillarsuspensionen

• Antragsteller: Professor Dr. Norbert Willenbacher
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 340671862

Poröse keramische Werkstoffe werden für unterschiedlichste Anwendungen genutzt, z.B. als Filtermedien, als Katalysatorträger, als Knochenersatz oder als Leichtbau-Verbundwerkstoffe. Ein kürzlich von uns entwickeltes Verfahren ermöglicht die Herstellung hochporöser Sinterkörper mit Hilfe etablierter verfahrenstechnischer Prozesse. Dieses innovative Konzept nutzt sogenannte Kapillarsuspensionen (Dreiphasensystem fest/flüssig/flüssig) als Ausgangsmedium zur Herstellung hochporöser Sinterkörper. So können offene Porositäten zwischen 50% und 80% bei Porengrößen im Bereich 0,5 µm - 50 µm erzielt werden. Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll dieses Verfahren weiterentwickelt werden, um hochporöse Keramiken mit besonders hoher spezifischer mechanischer Festigkeit zu erzeugen. Hierfür werden parallel zwei Strategien verfolgt:1. Ein additives Formgebungsverfahren, das sog. Direct Ink Writing (DIW), soll genutzt werden, um zelluläre Strukturen zu erzeugen, deren Stege aus hochporösen keramischen Materialien bestehen. So sollen Körper mit Porositäten > 90% und hoher spezifischer Festigkeit (ähnlich wie Balsa-Holz) erzeugt werden. Für das Verfahren geeignete Pasten sind zu entwickeln. Wegen ihrer hohen Fließgrenze und ausgeprägten Scherverdünnung sind Kapillarsuspensionen hierfür besonders geeignet. Vorversuche legen zudem Nahe, dass mit gezielt aufbereiteten Kapillarsuspensionen mit DIW bisher unerreichte, feine Strukturen (~ 50 µm) erzeugt werden können. Entsprechende zelluläre Strukturen werden gedruckt und auf mechanische Festigkeit geprüft.2. Kapillarsuspensionen sollen genutzt werden, um bei gegebener Porosität Werkstoffe mit besonders hoher mechanischer Festigkeit zu erzeugen. Die grundlegende Idee besteht darin, die sekundäre Flüssigphase der Kapillarsuspension als Träger für die zielgerichtete Anlagerung einer zweiten, feinteiligen Komponente an den Kontaktstellen der groben Partikel zu nutzen. So sollen rundere Poren und verstärkte Sinterhälse erzeugt werden, um porösen Körper mit deutlich höherer mechanischer Festigkeit zu erhalten. In Vorsuchen konnte die mechanische Festigkeit von Al2O3 Keramik durch die Zugabe einer feinteiligen ZrO2-Fraktion verdreifacht werden. Chemische Zusammensetzung und Größe der Feinfraktion sollen systematisch variiert und die entstehenden Strukturen analysiert werden, um die Festigkeit gezielt noch weiter steigern zu können.Schließlich sollen die Erkenntnisse aus den beiden Teilprojekten zusammengeführt werden, um mit Hilfe des DIW und geeigneten Materialkombinationen poröse, keramische Strukturen mit bisher unerreichter spezifischer mechanischer Festigkeit zu erzeugen. Da die Stege der gedruckten zellulären Strukturen offenporig sind, könnte eine Anwendung unseres Verfahrens bzw. der resultierenden Materialien im Bereich Filtration liegen. Daher soll mit Hilfe des DIW ein Filter-Demonstrator gedruckt und hinsichtlich seiner Trenneigenschaften evaluiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen