[Back]

M. Redl:
"Lithographic 3D printing of SiC-based ceramics";
Supervisor: R. Liska, J. Stampfl; Institut für Angewandte Synthesechemie, 2019; final examination: 09-09-2019.

Flexibility in design, resource efficiency and the prevention of expensive tools or moulds are the major advantages of additive manufacturing technologies (AMTs). These methods are based on the alternating creation and connection of single layers to produce a three-dimensional object directly from CAD data. Although these technologies are mostly used for structuring of polymeric and metallic materials, recent developments have allowed for ceramics to also be used. A commercially established AMT which is capable of producing high-performance ceramics is lithography-based ceramic manufacturing (LCM). This photopolymerisation-based method uses suspensions composed of photosensitive resin filled with the respective ceramic powder.
The aim of this study was to develop and characterise suspensions processable via LCM for the production of silicon carbide-based ceramics.
Due to its outstanding thermal and mechanical properties silicon carbide (SiC) is the most commonly used non-oxide high-performance ceramic. It has numerous applications, ranging from simple grinding and cutting tools to high-end applications such as space telescopes and diesel particulate filters. However, certain properties make the lithographic processing of SiC very challenging. Incorporating SiC particles significantly reduces the cure depth of the photopolymeric resin due to their high absorbance and refractive index. To overcome these problems, a high reactivity of the organic components is desired. Consequently, photoreactivity studies with different (meth)acrylate-based formulations and photoinitiators were performed with the aid of photo-DSC and RT-NIR-photorheology. Components which performed best were selected and used to prepare various suspensions comprising of different SiC powders and powder mixtures. The characterisation of these suspensions included determining the maximum cure depth and the dynamic viscosity, followed by printing experiments. Optimising the printing parameters, including the irradiation time, light intensity, powder content, printing temperature and layer height, resulted in the successful fabrication of defect-free SiC green bodies.

Flexibilität im Design, Ressourceneffizienz und die Vermeidbarkeit von teuren Werkzeugen und Gussformen sind die Hauptvorteile von additiven Fertigungsverfahren. Diese Methoden basieren auf dem schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Bauteils ausgehend von CAD-Daten. Obwohl mit diesen Technologien bisher hauptsächlich Polymere und Metalle verarbeitet wurden, erlauben neuste Entwickelungen auch die Anwendung bei Keramiken. Ein kommerziell etabliertes additives Fertigungsverfahren für die Herstellung von keramischen Bauteilen ist die Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)-Technologie. Ausgangsmaterial hierfür ist eine photosensitive Suspension, bestehend aus einem organischen Binder und dem jeweiligen keramischen Pulver. Durch ortsaufgelöste Belichtung wird das Harz ausgehärtet und bildet ein Gerüst für die Keramikpartikel.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung von Suspensionen, die mittels LCM verarbeitet werden können und die Produktion von SiC basierten Keramiken ermöglichen. Aufgrund seiner herausragenden thermischen und mechanischen Eigenschaften ist SiC die am häufigsten verwendete nichtoxidische Hochleistungskeramik. Ihr Anwendungsgebiet erstreckt sich von einfachen Schleif- oder Schneidwerkzeugen bis hin zu High-End Anwendungen wie Weltraumteleskopen oder Dieselpartikelfiltern. Der hohe Brechungsindex und die hohe Absorption von SiC machen die lithographische Verarbeitung von SiC-basierten Suspensionen allerdings schwierig, da sie die Aushärtungstiefe des Harzes wesentlich verringern. Um dennoch eine ausreichende Aushärtungstiefe zu erreichen ist eine hohe Reaktivität des photosensitiven Harzes gefordert. Deshalb wurden Studien zur Photoreaktivität diverser Methacrylat/Acrylat basierten Harz-Formulierungen und verschiedener Photoinitiatoren durchgeführt. Die Charakterisierung erfolgte anhand von Photo-DSC- und Photo-Rheologie-Messungen. Anschließend wurden Suspensionen mit verschiedenen SiC-Pulvern und Pulvermischungen hergestellt und hinsichtlich ihrer Aushärtungstiefe und ihrem rheologischen Verhalten untersucht. Die Suspensionen wurden mittels-LCM Technologie verarbeitet und nach Optimierung der Bauparameter konnten defektfreie Grünkörper erhalten werden.

additive manufacturing technologies, three-dimensional object,CAD data, high-performance ceramics,lithography-based ceramic manufacturing, silicon carbide-based ceramics