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J. Homa:
"Direkte und indirekte Fertigungsmethoden zur Herstellung zellularer keramischer Filter";
Supervisor, Reviewer: J. Stampfl, F. Prinz; E308 - Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2008; oral examination: 09-01-2008.

Dieselpartikelfilter gewinnen aufgrund der immer strikteren gesetzlichen Regelungen zur Parti-kelemission an Bedeutung. Deutsche Automobilhersteller haben sich verpflichtet ab 2009 in al-len dieselbetrieben Personenkraftwagen Partikelfilter einzubauen. Die größte Verbreitung findet der extrudierte Wall-Flow-Filter mit wechselseitig verschlossenen Kanälen. Das Abgas wird durch die porösen Filterwände gereinigt, die Aschen werden im Filter gesammelt und je nach Regenerationsstrategie wird die organische Asche aktiv oder passiv oxidiert. Nur die anorgani-sche Asche bleibt zurück und führt in Folge zu einem Verstopfen des Filters. Eine Möglichkeit die anorganischen Aschen entfernen zu können, besteht in der Verwendung eines Kreuzkanalfil-ters mit angeschlossener Aschenkammer, in der sich die anorganischen Aschen sammeln und ein-fach entfernt werden können. Da diese Filter aus Keramik bestehen und das Design sehr kom-plex ist, können sie nicht mit klassischen keramischen Formgebungsmethoden aus einem Stück hergestellt werden. Generative Fertigungsverfahren für keramische Werkstoffe eignen sich sehr gut für die Herstellung solcher komplexer Geometrien. Diese Verfahren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile, jedoch können sie derzeit nicht für eine Massenproduktion dieser Filter ein-gesetzt werden. Die Kreuzkanalfilter können aber auch über Gelgießen und eine verlorene Wachsform hergestellt werden, wodurch ein Verfahren für hohe Stückzahlen zur Verfügung steht. In der vorliegenden Arbeit sind sowohl das Gelgießen als auch ein lithographisches Verfahren zur Fertigung von Kreuzkanalfiltern angewendet worden.
Die Wachsformen für den Gelgießprozess können über verschiedene Verfahren hergestellt wer-den. Für eine Designevaluierung können erste Prototypen der Formen über einen generativen Prozess aufgebaut werden. Damit wurden Filter mit Wandstärken bis zu 0,4 mm hergestellt, aber die maximale Größe der Form ist durch das Auftreten von thermischen Spannungen im generati-ven Fertigungsprozess und die langsame Baugeschwindigkeit begrenzt. Designänderungen kön-nen jedoch rasch durchgeführt werden und erste Prototypen sind schnell und kostengünstig ver-fügbar. Da sich die Ein- und Auslasskanäle des Filters nicht schneiden, lässt sich die Form auch durch Stapeln von zwei unterschiedlichen Wachsplatten, die entweder gefräst oder spritzgegos-sen werden, herstellen. Beim Fräsen können zwar in kurzer Zeit erste große Filter erzeugt wer-den, jedoch ist auch dieses Verfahren relativ langsam und die erzielbaren Wandstärken des Filters sind mit 0,6 mm begrenzt. Beim Spritzgießen sind die Kosten und die Dauer für die Herstellung eines Spritzgusswerkzeuges sehr hoch, jedoch ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit gegenüber den anderen Verfahren ungleich höher, womit ein massentaugliches Verfahren zur Verfügung steht.
Diese Wachsformen werden dann mit einem keramischen Gelgießschlicker befüllt und nach des-sen Verfestigung abgeschmolzen. Prinzipiell können für das Gelgießen alle keramischen Mate-rialien verwendet werden, jedoch wurde in dieser Arbeit nur rekristallisiertes Siliziumkarbid, das in den meisten Dieselpartikelfilter Anwendung findet, eingesetzt. Rekristallisiertes Siliziumkar-bid sintert schwindungsfrei in einem Gasphasenprozess unter Einfluss von Entbinderungsat-mosphäre, Sintertemperatur, Korndurchmesser der bimodal verteilten Partikel und deren Mi-schungsverhältnis. Besonders interessant ist der Einfluss des Grobkorndurchmessers auf die Ver-sinterung und damit folglich auf die mechanischen und thermischen Eigenschaften. Um eine Ab-schätzung der Abhängigkeit der makroskopischen Festigkeit vom Grobkorndurchmesser zu er-halten, ist ein einfaches analytisches Modell zur Sinterhalsbildung mit unterschiedlichen An-nahmen zum Abscheidemechanismus der Gasphase aufgestellt worden. Die Annahmen dieses Modells werden auch auf das Gibson-Ashby-Modell für offenporige Schäume übertragen und im Experiment überprüft. Aus den ermittelten Messwerten kann geschlossen werden, dass ein un-gleichmäßiger Abscheidemechanismus dominiert und das analytische Modell zur Sinterhalsbil-dung eine besser Übereinstimmung mit den Messwerten liefert als das Gibson-Ashby-Modell. Weitere mechanische und thermische Eigenschaften von rekristallisiertem Siliziumkarbid sind ermittelt worden, die für den Einsatz als Dieselpartikelfilter wichtig sind.
Die direkte Strukturierung von Keramiken über lithographische Verfahren haben den Vorteil, dass komplexe Bauteile ohne Verwendung eines Werkzeuges hergestellt werden können. Da die-se Verfahren ein photosensitives Harz benötigen, darf der keramische Füllstoff nicht zuviel Licht absorbieren, da ansonsten keine Strukturierung möglich ist. Rekristallisiertes Siliziumkarbid kann deswegen für die Anwendungen nicht eingesetzt werden, weshalb Cordierit, ein zweiter wichtiger Werkstoff für die Erzeugung von Dieselpartikelfilter, verwendet worden ist. Da bei der Strukturierung über das Digital Light Processing-Verfahren relativ große Kräfte auf das Bauteil wirken, ist das Design des Kreuzkanalfilters gegenüber dem Gelgießen leicht modifiziert wor-den. Der direkt strukturierte Cordierit ist hinsichtlich seiner mechanischen und thermischen Ei-genschaften charakterisiert und mit denen von gegossenem Cordierit verglichen worden.

Gelcasting, RSiC, DPF, keramisches RP

Project Head Jürgen Stampfl:
Rapid Prototyping und Modellierung Zellularer Materialien

Project Head Jürgen Stampfl:
Rapid Prototyping zellularer Keramiken