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Additiv gefertigte Bauteile aus faserverstärkter Keramik

Im Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und System (IKTS) in Dresden wird an einem Verfahren gearbeitet, welches zur additiven Herstellung von faserverstärkten Bauteilen dient.

Gastbeitrag Johannes Abel

Diese bestehen aus einer keramischen Matrix und keramischen Fasern (CMC: Ceramic Matrix Composite), welche in der Lage sind, ein katastrophales Versagen des Bauteils durch ein schadenstolerantes Bruchverhalten zu verhindern. Besonders in Hochtemperaturprozessen wie z. B. als Liner oder Brennkammer im Triebwerks- und Turbinenbau sind derartige Materialien vorteilhaft. Entstehende Risse, die durch mechanische Spannung auftreten, werden in der Matrix bis an eine Faseroberfläche geleitet und an deren Grenzfläche unter zusätzlichem Energieverbrauch abgelenkt. „Damit wird garantiert, dass die Rissausbreitung durch Ablenkungs- und Pullout-Mechanismen aufgehalten und somit das Totalversagen durch Entzweibrechen verhindert wird“, so Abel. Dieser für Keramiken einzigartige Effekt wird in der Abbildung veranschaulicht. Dabei handelt es sich um ein mittels vorgestellter Technologie additiv gefertigtes SiC-faserverstärktes SiC-Bauteil nach dem 3-Punkt-Biegebruchversuch. Beide Bruchstücken sind trotz mittigem Matrixbruchs noch miteinander vereint.

Bisher war die Herstellung solcher Bauteile konventionellen Fertigungsverfahren vorbehalten, die mit händischen Laminier- und Wickelprozessen und anschließender Wärmebehandlung einhergingen. Infolge verfahrenstechnischer Herausforderungen wurde die additive Fertigung von CMC-Bauteilen mit keramischen Langfasern bisher kaum betrachtet. So wurde beispielsweise während der Aufbereitung zur Fasermaterialherstellung eine Faserschädigung beobachtet, die sich hauptsächlich in einer Verkürzung der Faser unterhalb der kritischen Länge äußerte. Zu kurze Fasern können in keramischen Werkstoffen keine Schadenstoleranz erzeugen.

Um für die additive Fertigung Lang- bzw. Endlosfasern verwenden zu können, wurde eine vom Kunststoffbereich bekannte Technologie modifiziert. Mittels thermoplastisch aufschmelzender Filamente ist es möglich, CMC-Bauteile schichtweise durch Drucken herzustellen. Dieses Verfahren ist als Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt und wird im Fraunhofer IKTS als CerAM FFF bezeichnet. Aufgrund der strangförmigen Halbzeuggeometrie können verschiedenartige oxidische und nichtoxidische keramische Endlosfasern wie z. B. SiC-Rovings während der Herstellung durch Coextrusion integriert werden. Der mit SiC-Partikeln und SiC-Kurzfasern verstärkte Feedstock bildet den schmelzfähigen Mantel des aus mehreren 100 Einzelfasern bestehenden Rovings. Das nach der additiven Fertigung generierte Bauteil muss in einem mehrstufigen Standardprozess von den thermoplastischen Polymeren befreit und über ein anschließendes keramisches Processing über Infiltrations- und thermische Prozesse für die Realisierung des angestrebten Eigenschaftsniveaus verdichtet werden. Zur Verarbeitung der Filamente können Standardgeräte verwendet werden, die in der Lage sind, skalierbare Bauteile kostengünstig und reproduzierbar herzustellen. Besonderes Know-how wird bei der Einstellung einer definierten Faser-Matrix-Anbindung benötigt, da diese vor allem das schadenstolerante Verhalten der Werkstoffe bestimmt.

Zur Verdichtung des CMC kommen klassische Infiltrationsprozesse wie Liquid Silicon Infiltration (LSI), Liquid Metal Infiltration (LMI) oder Polymer Infiltration and Pyrolysis (PIP) zum Einsatz. Somit unterscheidet sich das Postprocessing der additiv gefertigten Bauteile nicht von dem konventionell hergestellter keramischer Strukturen.

Dieses Verfahren ist innerhalb der additiven Fertigung von CMC-Bauteilen einzigartig und bietet die Möglichkeit, in Zukunft deutlich komplexere Bauteile auch für oxidische Materialien wirtschaftlich zu fertigen.

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