Forscher der Montanuniversität Leoben in Österreich haben den vom 3D-Druck-Unternehmen Lithoz eingeführten Multi-Material-Ansatz für die 3D-Druckfähigkeit von Aluminiumoxid mit der höchsten Festigkeit (1GPa) demonstriert. Die Forscher konnten gemeinsam mit den Ingenieuren von Lithoz den Schicht-für-Schicht-Aufbau nutzen, um kontrollierte Restspannungen zu schaffen und dabei effektiv eine Art Gorilla-Aluminiumoxid zu erzeugen. Ihre Arbeit mit dem Titel „Additive manufacturing of high-strength alumina through a multi-material approach“ haben sie im Fachmagazin Science Direct veröffentlicht.
Der Multi-Material-Ansatz
Zwischen äußeren reinen Aluminiumschichten mit signifikanten Druckeigenspannungen wurden Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Schichten eingebettet, was dem Multi-Material-Ansatz entsprach. Durch die additive Fertigung konnten die Forscher die Materialplatzierung digital steuern, sodass die Materialien beim Sintern noch dichter wurden als Aluminiumoxid allein (monolithisches Aluminiumoxid).
Monolithisches Aluminiumoxid erreicht oft nur eine Festigkeit von 650 MPa. Aufgrund der unterschiedlichen Materialschichten erhielten die Forscher bei den Mehrfachschichten eine Festigkeit von 1 GPa. Aufgrund der unterschiedlichen erforderlichen Temperaturen, die beim Sintern benötigt werden, werden die Materialschichten noch stärker komprimiert. Während des Abkühlens beim Sintern entsteht eine „thermische Fehlanpassung“, was zu kontrollierten Druckeigenspannungen führte.
Vorteile von Mehrmaterialarchitekturen
Die Forscher waren durch eine Kombination unterschiedlicher Schichten aus verschiedenen Keramikmaterialien, verbunden mit starken Grenzflächen, in der Lage, abwechselnd Restzug- und Druckspannungen in der Ebene maßzuschneidern. Die sehr guten Ergebnisse, wie sie zum Beispiel bei den verstärkten Gläsern erzielt wurden, ließen sich so beweisen. Unter verstärkten Gläsern verstehen Forscher ein Konzept, das bei Gorilla-Glas zur Anwendung kommt.
Keramiken verfügen über Eigenschaften wie Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität, Hochtemperaturstabilität, Verschleißfestigkeit sowie spezielle thermische, elektrische und optische Eigenschaften. Dadurch wird das Material ideal für anspruchsvolle Anwendungen. Die Herstellung komplexer Geometrien mit traditionellen und subtraktiven Keramikherstellungsverfahren sind mit Diamantwerkzeugen äußerst kostspielig und schwierig. Der Entwurf komplex geformter Keramikarchitekturen mit Restspannungen durch additive Fertigung eröffnet neue Wege für die Herstellung technischer Keramiken mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften.
Fortschritte wie die Lithographie-basierte Keramikherstellungstechnologie (LCM) von Lithoz haben die Herstellung von Keramikschüttgütern mit mechanischen Eigenschaften optimiert. Mehrmaterialarchitekturen auf Keramikbasis mit verbesserter Festigkeit oder Zähigkeit sollen noch mehr Verbesserungen bringen.