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M. Hatzenbichler:
"Selektives Laserschmelzen zur generativen Herstellung von Bauteilen aus Hochleistungswerkstoffen";
Supervisor, Reviewer: J. Stampfl, R. Liska; Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie, 2014; oral examination: 03-07-2014.

Die konventionelle Formgebung von Funktionsbauteilen aus Siliziumcarbid (SiC) beschränkt sich auf Gussverfahren, z.B. Pulverspritzguss (Powder Injection Moulding, PIM) und Pressverfahren, z.B. heißisostatisches Pressen (Hot Isostatic Pressing, HIP). Während im Fall von PIM eine Binderphase eingesetzt wird um aus hochtemperaturbeständigen SiC Partikeln einen Grünteil herzustellen, führen bei HIP Temperaturen von bis zu 2000 °C und Drücke von 100-200 MPa zur Verdichtung und Sinterung des SiC Pulvers.
In dieser Arbeit sollte die Nichtoxidkeramik SiC für die Verarbeitung in der generativen Fertigung adaptiert werden, dies gilt speziell für lithographische Methoden (Stereolithographie). Das flüssige Ausgangsmaterial, bestehend aus einer photosensitiven Polymermatrix und SiC Partikeln als Füllstoff, wurde an die Prozessbedingungen angepasst und Prüf- bzw. Demonstrationskörper hergestellt. Mit Hilfe von thermischen Analysen könnte ein optimales Entbinderungs- und Sinterprofil gefunden werden um Bauteile bis zu einer Wandstärke von 10 mm rissfrei herstellen zu können. Zur Steigerung der relativen Dichte wurden in weiterer Folge Sinteradditive und Infiltrate getestet.
Ein anderes generatives Fertigungsverfahren, das selektive Laserschmelzen, bietet den Vorteil das pulverförmige Ausgangsmaterial ohne Binderphase direkt, entsprechend dem CAD Modell, zu einem physikalischen Bauteil schichtweise verschmelzen zu können. Hier sollte neben den bereits kommerziell erhältlichen Kunststoff- und Metallpulvern der Bereich der Keramikpulver hinzugefügt werden. Zu Beginn war es notwendig systematisch die entsprechenden anlagen- und materialspezifischen Anforderungen aufzustellen und ein Bewertungsschema zu entwickeln. Anhand dieser Selektion wurden danach Versuche durchgeführt um das Schmelz- und Erstarrungsverhalten zu untersuchen. Schrittweise wurden so Parametersätze für die ausgewählten, keramischen Werkstoffe ermittelt und dokumentiert.
Neben rein keramischen Pulvern wurden auch binderbasierte Varianten untersucht, hierzu wurde Polyamid 12 verwendet, um Grünkörper herzustellen. Die Energiedichte des Laserstrahls wurde durch eine Strahlaufweitung und Laserleistungsreduktion durch Aufschmelzversuche auf den Binder eingestellt. Eine Bindermodifikation, die Beigabe von Industrieruß (Carbon Black), ermöglichte auch die erfolgreiche Verarbeitung von Oxidkeramikpulvern.
Durch die Optimierung der Parameter konnte für die binderbasierten Keramikpulver im SLM Verfahren und für die Nichtoxidkeramik SiC im SLA Verfahren stabile Prozesse zur Herstellung von Bauteilen realisiert werden.