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Doctor's Theses (authored and supervised):

S. Gruber:
"Lithography-based additive manufacturing of alumina parts";
Supervisor, Reviewer: J. Stampfl, R. Liska; Institut für Werkstffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2013; oral examination: 12-13-2013.



English abstract:
Digital Light Processing (DLP) is a projection technology that can be used for lithography-based additive manufacturing. Additive manufacturing in turn, widely known as rapid prototyping or 3D printing, is a process in which a large number of thin ("small") layers are merged to a single ("big") three-dimensional object. Essential for the quality of the 3D-part is a trouble-free process flow (printing) from the first to the last layer.
As part of the work (in cooperation with the EU project PHOCAM) a DLP-based 3D printer has been developed which is suitable for processing filled photosensitive materials (slurry). Here, a sinterable material (such as alumina) in powder form is mixed with a liquid light-sensitive resin. After printing, the cured polymer, which serves as a binder, is thermally degraded. In the following step, the sintering, the remaining filling material (ceramic powder) is sintered together to a dense ceramic structure. This method allows to use the advantages of generative manufacturing form materials, which are in principle not suitable for this technology. The development of the source material, the so-called slurry, and its processing to the final product, the ceramic part, have been connected closely with the hardware development. Since only with a well-tuned system (hardware-material) such as ceramic materials can be processed to. high quality parts
The solid loading (ratio of powder in the slurry) is one of the most important factors regarding processability and material quality. It should be above 50Vol % in order to produce high quality components. However, high solid loadings are associated with high viscosity, which brings some problems, such as high reaction forces, reduced penetration depth of light and aggravated material supply. The interaction of modern DLP technology , specific coating mechanisms and exposure strategies enables the processing of such highly viscous material to ceramic components with almost arbitrarily complex geometries.
The achieved building speed of up to 10 vertical millimetres per hour and the high resolution of the AM-system (25 microns in volume standard exposure X, Y and Z) show the potential of the system for industrial applications. Slurries with solid loading up to 55vol% have been processed successfully with the developed printing device. The sintered alumina parts have theoretical densities up to 99.6% and excellent mechanical properties (>500MPa, measured by biaxial bending test).

German abstract:
Digital Light Processing (DLP) ist eine Projektionstechnik, die für lithographie-basierte generative Fertigungsverfahren eingesetzt werden kann. Generative Fertigungsverfahren wiederum, weithin als Rapid Prototyping oder 3D-Drucken bekannt, sind Verfahren, bei denen eine große Anzahl an dünnen ("kleinen") Einzelschichten zu einem ("großen") dreidimensionalen Objekt zusammengeführt werden. Essenziell für die Qualität des 3D-Ausdrucks ist ein störungsfreier Prozessablauf (Druckvorgang) von der ersten bis zur letzten Schicht.
Im Rahmen der Arbeit (in Kooperation mit dem EU Projekt PHOCAM) wurde ein DLP-basierender 3D-Drucker entwickelt, welcher für die Verarbeitung von gefüllten photosensitiven Materialien (Schlicker) geeignet ist. Hierbei wird ein sinterfähiges Material (z.B. Aluminiumoxid) in Pulverform einem zähflüssigen, lichtempfindlichen Kunstharz beigemengt. Nach dem Druckvorgang wird das ausgehärtete Polymer, welches als Binder dient, thermisch abgebaut. Im letzten Prozessschritt, dem Sintern, wird das übergebliebene Füllmaterial (Keramikpulver) zu einer festen Struktur zusammengesintert. Dieses Verfahren erlaubt es, alle Vorteile der generativen Fertigung auch für Materialien zu nützen, die grundsätzlich nicht für diese Verfahren geeignet wären. Die Entwicklung des Ausgangsmaterials, dem so genannten Schlicker, und dessen Prozessierung bis zum Endprodukt, dem Keramikteil, wurden in dieser Arbeit bewusst eng mit der Hardwareentwicklung vernetzt. Da nur mit einem gut abgestimmten System (Hardware-Material) Materialien wie Keramik zu hochqualitativen Bauteilen verarbeitet werden können.
Der Füllgrad (Anteil an Pulver im Schlicker) ist hierbei einer der wichtigsten Faktoren bezüglich Verarbeitbarkeit und Materialqualität, er sollte über 50Vol% liegen, um hochqualitative Bauteile erzeugen zu können. Hohe Füllgrade sind jedoch mit hoher Viskosität verbunden, was einige Probleme mit sich bringt, wie z.B. hohe Reaktionskräfte, reduzierte Eindringtiefe des Lichtes und erschwerter Materialnachtransport. Das Zusammenspiel von moderner DLP-Technologie, speziellen Beschichtungsmechanismen und Belichtungsstrategien ermöglicht die Verarbeitung solcher hochviskoser Materialeien zu keramischen Bauteile mit nahezu beliebig komplexen Geometrien.
Die erreichten Baugeschwindigkeiten von bis zu 10 mm/h und eine hochauflösender Strukturierung (Standard Belichtungsvolumen 25Ám in X, Y und Z) zeigen das Potential der Anlage auch für industrielle Anwendungen. Mit dem entwickelten System konnten bislang Schlicker mit einem Füllgrad von bis zu 55Vol% erfolgreich verarbeitet werde. Die gesinterten Aluminiumoxidbauteile weisen eine theoretische Dichte von bis zu 99,6% und hervorragenden mechanischen Eigenschaften (>500MPa Biegefestigkeit) auf, welche bei einer biaxialen Biegeprüfung bestätigt werden konnten.

Created from the Publication Database of the Vienna University of Technology.