Neuaritges Additives Verfahren für die Herstellung komplexer Keramikstrukturen

Marco Pelanconi, ein Doktorand an der Universität Padua, hat im Hybrid Materials Laboratory (HM Lab) der Fachhochschule der Südschweiz (SUPSI) ein wegweisendes Dissertationsprojekt abgeschlossen. In seiner Forschung entwickelte Pelanconi ein neuartiges additives Verfahren zur Herstellung komplexer Keramikstrukturen unter Verwendung des Sintratec Kits.

Das HM Lab, unter der Leitung von Professor Alberto Ortona, hat in den letzten zwei Jahrzehnten Pionierarbeit in der Keramikforschung geleistet. Pelanconi, einer von Professor Ortonas Doktoranden, verteidigte erfolgreich seine Doktorarbeit, die sich mit dem Potential des 3D-Drucks für keramische Werkstoffe befasste.

Im Rahmen seines Dissertationsprojekts optimierte Pelanconi ein Verfahren zur Herstellung komplexer keramischer Strukturen durch additive Fertigung. Der Ansatz basiert auf dem 3D-Druck von polymeren Vorformen mit hoher Mikroporosität mittels selektivem Lasersintern (SLS). Anschließend werden die Vorformen mit präkeramischen Polymeren infiltriert und durch Pyrolyse bei etwa 1000°C in Keramik umgewandelt. Eine abschließende Verdichtung erfolgt durch die Infiltration mit geschmolzenem Silizium, um hochdichte Keramikteile zu erhalten.

Das Sintratec Kit spielte eine entscheidende Rolle in Pelanconis Forschung, da der 3D-Drucker offene Parameter bietet.

“Mit dem Kit konnten wir viele Druckparameter ändern, darunter die Oberflächentemperatur des Pulvers, die Schichtdicke, die Lasergeschwindigkeit, die Schraffurabstände und vieles mehr, wodurch sich die Porosität der 3D-Druckteile einfach steuern liess”, erklärt Pelanconi.

Durch die Variation dieser Parameter konnte Pelanconi eine ideale Porosität erzielen, die für die weitere Infiltration entscheidend ist.

In seiner Forschung konzentrierte sich Pelanconi auf die Herstellung von zwei zylindrischen Strukturen mit unterschiedlichen Topologien: einen rotierten Würfel und einen Gyroiden. Die resultierenden Keramikteile zeigten hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften sowie eine beeindruckende biaxiale Festigkeit von 165 MPa.

Komplexe Keramikarchitekturen bieten unübertroffene thermomechanische Eigenschaften, die sie für den Einsatz in Branchen wie der Hightech-Industrie, Wärmetauschern, Katalysatorträgern, Wärmespeichern, Brennern und der Raumfahrt attraktiv machen.

“Diese Werkstoffklassen bieten unübertroffene thermomechanische Eigenschaften, die Stahl nicht bieten kann, wie hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Oxidationsbeständigkeit, hohe Thermoschockbeständigkeit und hohe Festigkeit”, betont Pelanconi.

Die Forschung von Marco Pelanconi im HM Lab zeigt das Potenzial des 3D-Drucks und präkeramischer Polymerinfiltration für die Herstellung hochwertiger keramischer Strukturen. Dieser innovative Ansatz eröffnet eine breite Palette von Anwendungen und könnte dazu beitragen, dass verschiedene keramische Materialien in der Hightech-Industrie genutzt werden.