Repräsentative, konventionell gefertigte SiSiC-Bauteile auf Basis von WPC-Grünkörpern nach der Flüssigsilizierung über 1.420 °C

Bild: Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth

Neue Herstellungsroute Vom Holz zur additiv gefertigten Hochleistungskeramik

04.10.2022

Ein Forschungsprojekt des Lehrstuhls Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth in Kooperation mit dem Kunststoffzentrum SKZ untersucht die Umwandlung von additiv gefertigten Grünkörpern zu hochwertigen Keramiken. Dabei haben die Forschenden nun eine neue Prozessroute entwickelt, deren Anwendungsbereiche nun geprüft wird.

In einem jüngst gestarteten Forschungsprojekt wird eine neuartige Prozessroute untersucht, Keramiken kosteneffizienter, nachhaltiger und mit höherer Geometriefreiheit herzustellen. Die Besonderheit im gewählten Ansatz liegt darin, dass ein thermoplastisch verarbeitbares Material zur Grünkörperfertigung genutzt wird. Als Grünkörper bezeichnet man in der Keramik einen ungebrannten Rohling, der sich noch leicht bearbeiten lässt.

Jalena Best, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl Keramische Werkstoffe an der Universität Bayreuth, erklärt: „Zuerst wird der Grünkörper aus Wood-Polymer-Composite-Granulat gefertigt. Dieser wird bei Temperaturen über 1.000 °C in Stickstoff pyrolysiert, sodass ein Körper aus reinem Kohlenstoff entsteht. Dabei ist es für das Endprodukt wichtig, dass der Kohlenstoffkörper möglichst formstabil und blasenfrei ist. Abschließend wird der Kohlenstoffkörper mit flüssigem Silizium infiltriert. Bei diesem Prozessschritt reagiert das Silizium mit dem Kohlenstoff zu Siliziumkarbid, wodurch sich eine SiSiC-Keramik ausbildet.“

Anwendungsmöglichkeiten der neuen Prozessroute

Im Rahmen zweier Forschungsprojekte konnte bereits die Machbarkeit dieser Prozessroute demonstriert werden. Im jetzt gestarteten Projekt sollen die Anwendungsmöglichkeiten erweitert werden.

„Das Forschungsvorhaben leistet einen Beitrag zur Erreichung gesellschaftlicher Ziele, indem auf Grund dieser innovativen Herstellungsroute Ressourcen und Energie eingespart werden“, hebt Prof. Dr. Stefan Schafföner, Inhaber des Lehrstuhls Keramische Werkstoffe, hervor. „Zudem ist die Kombination aus additiver Fertigung, Holz-basiertem Thermoplastcompound und dem Ziel, eine biogene SiSiC-Keramik konturnah herzustellen, neuartig und wirtschaftlich attraktiv“, fügt Professor Schafföner hinzu.

„Ziel des neuen Projektes ist es nun, das mit Holz hochgefüllte Material mittels additiver Fertigung zu verarbeiten“, erklärt Moritz Grünewald, Wissenschaftler in der Gruppe der Materialentwicklung am SKZ. „Um das Materialcompound auf den 3D-Druckern verarbeiten zu können, muss dieses spezielle Eigenschaften aufweisen“, sagt Grünewald weiter.

Die additive Fertigung ermöglicht die endkonturnahe Fertigung und somit ein Minimum an nötiger Nachbearbeitung des harten Materials. Außerdem können durch den 3D-Druck ganz neue Funktionsintegrationen, wie gradierte Bauteile, erhalten werden, wodurch neuartige Anwendungen realisierbar sind. Die additive Formgebung soll mittels zweier Verfahren untersucht werden: das FDM- (Fused Deposition Modelling) und das FGF-Verfahren (Fused Granular Fabrication). Beide Methoden zeichnen sich durch verhältnismäßig geringe Gerätekosten aus und erlauben es somit Firmen, die Technologie mit geringen Anschaffungskosten zu übernehmen.

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