Vom Holz zur additiv und nachhaltig gefertigten Hochleistungskeramik
Repräsentative, konventionell gefertigte SiSiC-Bauteile auf Basis von WPC-Grünkörpern nach der Flüssigsilizierung über 1420 Grad Celsius
Bild: Lehrstuhl Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth
… für extreme Bedingungen.
Ein innovatives Forschungsprojekt des Lehrstuhls Keramische Werkstoffe der Universität Bayreuth in Kooperation mit dem Kunststoffzentrum SKZ untersucht die Umwandlung von additiv gefertigten Grünkörpern zu hochwertigen Keramiken.
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 1000 Grad Celcius 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.“
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.-Ing. 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“, so 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.
Das Projekt „3D-Druck von WPC zur Herstellung endkonturnaher komplexer SiSiC-Bauteile“ 22307 N der Fördergemeinschaft für das Süddeutsche Kunststoff-Zentrum e.V. FSKZ wird über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Jalena Best
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Lehrstuhl Keramische Werkstoffe
Tel.: +49 (0) 921/55 6560
E-Mail: jalena.best@uni-bayreuth.de
Weitere Informationen:
Der Lehrstuhl Keramische Werkstoffe beschäftigt sich mit anwendungsorientierter Grundlagenforschung auf dem Gebiet der keramischen Struktur- und Funktionswerkstoffe. Dabei werden die erforschten Themengebiete von der Charakterisierung von Material- und Bauteileigenschaften bis hin zur Anwendung bei Industriepartnern bearbeitet. Die Entwicklung neuer, energie- und ressourceneffizienter Materialien und Prozesse sowie die Schließung von Stoffkreisläufen stehen dabei im Vordergrund.
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