Ein Durchbruch im 3D-Keramikdruck

Bericht vom 15. Mai 2023

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von Peter Grad, Tech Xplore

Für chinesische Wissenschaftler an der Jiangnan-Universität beruht die Form künftiger Dinge auf einer Keramikaufschlämmung und 3D-Druck.

Unter der Leitung von Professor Liu Ren entwickelten Universitätswissenschaftler eine Technik, die die Konstruktion komplexer Formen ermöglicht, die mit dem herkömmlichen 3D-Druck nie zuvor möglich waren. Dies erreichten sie durch die Schaffung einer Keramikmischung, die bei Einwirkung von Nahinfrarotlicht fast augenblicklich fest wird.

Den Vorteilen früherer Verfahren des 3D-Drucks standen oft Probleme der Genauigkeit, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit gegenüber.

Bei der Stereolithographie beispielsweise, bei der mithilfe von Laserstrahlen kleine Kunststoff-, Metall-, Glas- oder Keramikpulverpartikel zu einem festen Objekt verschmolzen werden, müssen im Allgemeinen Stützstrukturen hergestellt werden, um große oder ungewöhnlich geformte Strukturen an Ort und Stelle zu halten, bis die Komponenten verfestigt sind . Dies erhöht den Zeit- und Kostenaufwand bei großen Projekten.

Die Verwendung unterstützender Strukturen – sei es in der Stereolithographie oder anderen verwandten Ansätzen – erfordert auch deren eventuelle Entfernung. Dies führt zu potenziellen Problemen hinsichtlich der Maßgenauigkeit und Oberflächenglätte. Darüber hinaus könnte die Entfernung von Stützstrukturen zu Mikrorissen und sogar zu Strukturversagen aufgrund zusätzlicher Gewichtsbelastung führen.

Alternative Keramikproduktionsverfahren, die eine Produktion ohne den Einsatz von Stützstrukturen ermöglichten, nutzten ultraviolettes Licht zur Aushärtung von Bauteilen. Diese Prozesse profitierten von einer besseren räumlichen Kontrolle während der Härtungsphase. Dieser Ansatz wurde jedoch durch die begrenzte Fähigkeit des ultravioletten Lichts, Keramikschlämme zu durchdringen, behindert.

Die Wissenschaftler der Jiangnan-Universität fanden einen Workaround. Sie entdeckten, dass sie Objekte mit größerer Haltbarkeit und schnelleren Produktionszeiten konstruieren konnten, indem sie ihre Keramikpaste mit einem Härtungsprozess auf Basis von Licht im nahen Infrarot anstelle von ultraviolettem Licht verwendeten.

„Durch die Anpassung der Bestrahlungsintensität und der Druckgeschwindigkeit kann der Keramikbrei während der Extrusion in situ ohne den Einsatz von Stützen ausgehärtet werden“, sagten die Wissenschaftler in ihrem kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Bericht.

„Die zunehmende Festigkeit und selbsttragende Fähigkeit der extrudierten Filamente verbessert die Fertigungspräzision. Noch wichtiger ist, dass die Flexibilität des 3D-Drucks es einfacher macht, kleine Winkel oder sogar horizontale Überhänge ohne Durchhang- oder Kippfehler zu drucken.“

Sie waren in der Lage, komplexe Objekte zu konstruieren, die stark genug waren, um unmittelbar nach dem Austreten aus der Druckerdüse ihre Form und Stabilität in der Luft beizubehalten.

Beim Vergleich der Ergebnisse zwischen Ultraviolett- und Nahinfrarotprozessen stellten die Wissenschaftler erhebliche Unterschiede fest. Als sie die Aushärtetiefe (Härtung) der Aufschlämmung testeten, stellten sie fest, dass die Aushärtungstiefe unter ultraviolettem Licht nach etwas mehr als zwei Minuten 1,02 mm erreichte. Doch mit Nahinfrarotlicht war die Aushärtungstiefe dreimal so hoch wie bei ultraviolettem Licht, während die Belichtungszeit nur 3 Sekunden betrug.

Die Wissenschaftler fassten ihre Ergebnisse zusammen: „Durch die Optimierung der Tintenkomponenten und Druckparameter (Düsendurchmesser, Extrusionsdruck, Bewegungsgeschwindigkeit, Lichtintensität usw.) ist es möglich, Objekte mit höherer Auflösung und einzigartigem Erscheinungsbild zu erhalten.“

Sie zeigten sich zuversichtlich, dass mit weiteren Studien zum Nahinfrarot-Druckansatz „ohne Unterstützung hergestellte Keramikgeometrien dazu beitragen werden, mehr Innovationen hervorzubringen und die Anwendung additiver Fertigungstechnologien zu erweitern“.

Mehr Informationen: Yongqin Zhao et al., 3D-Druck von nicht unterstützter Keramik mit mehreren Maßstäben und großer Spannweite mittels Nahinfrarot-unterstütztem Direkttintenschreiben, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38082-8

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