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At the Workshop "Neutron and Synchrotron Monitoring in Aerospace Advanced Manufacturing" at the Institute of Materials Physics in Space, German Aerospace Center (DLR) in Cologne, we presented on the opportunities and our experiences of using a powder based additive manufacturing process for in-space manufacturing applications in microgravity.
Selective laser sintering is a well-established technology for the additive manufacture of metallic and polymeric parts. For the additive manufacture of ceramic parts some examples for its successful application do exist, also. In this context, the selective laser sintering of SiC ceramic powders has been studied extensively in the past. Despite its low sintering activity, SiC is particularly suited for the selective laser sintering process, because of the possibility to form SiO2 at elevated temperatures in oxidizing ambient. The SiO2 formed can act as a binder within the laser sintering process.
In the present work densely packed powder beds generated by the Layerwise Slurry Deposition (LSD) technology are selectively sintered by a cw. fiber laser. The layerwise slurry deposition is an innovative process for the deposition of layers in additive manufacturing. A slurry with no or very small organic content is repetitively spread as thin layers on each other by means of a doctor blade. During the deposition process, the ceramic particles settle to form thin layers of about 100 µm which have a high packing density (typical 55-60%). This high powder packing density is the result of a slip casting process: When a layer is deposited on a previously dried porous layer, the water is drawn into the pores by capillary forces. The LSD process therefore shares aspects of tape casting and slip casting. An additional benefit of the LSD technology is the free choice of the size of the ceramic particles used. Compared to the processing of dry flowable powders, especially small particles can be very well processed.
Leistungsstarke Verfahren zur additiven Fertigung wie der 3D Druck und das Selektive Lasersintern basieren auf dem Schichtauftrag eines fließfähigen Pulvers. Bei keramischen Pulvern ist eine gute Fließfähigkeit ab einer Partikelgröße von ca. 40 µm gegeben. Bei Pulvern mit zu feinen Partikeln sind die adhäsiven Kräfte zwischen den Partikeln vergleichbar groß wie die Kräfte, die durch die Gravitation auf die Partikel wirken, was einem gleichmäßigen Fließen des Pulvers und somit einem gleichmäßigen Schichtaufbau entgegensteht. Die Verwendung von feineren Pulvern hat jedoch Vorteile, wie z.B. eine bessere Sinteraktivität.
Neben der nötigen minimalen Partikelgröße besteht für keramische Werkstoffe ein wesentliches Problem der pulverbasierten Verfahren in der Tatsache, dass das Pulverbett, also das durch Schichtauftrag gestapelte Pulver, eine zu geringe Dichte besitzt. Dies bringt grundsätzlich zwei Nachteile mit sich: zum einen verhindert eine zu geringe Packungsdichte des Pulvers den Aufbau kompakter Grünkörper und letztlich deren Sinterung zu einer dichten Keramik, zum anderen wird im Aufbauprozess das Bauteil durch das Pulverbett nicht ausreichend gestützt. Beim Auftragen einer neuen Pulverschicht kann die bereits verfestigte Struktur im Pulverbett verschoben werden, was zu Defekten in der Struktur bis hin zum vollständigen Verlust der Struktur führt. Aus diesem Grunde ist neben dem Aufbau des zu fertigenden Bauteils u.U. der Aufbau von zusätzlich sogenannten Supportstrukturen gefordert. Diese Supportstrukturen verankern das Bauteil mit der Bauplattform und fixieren es somit im Koordinatensystem des Bauraums der Anlage. Das Entfernen der Supportstrukturen erfordert nach dem eigentlichen additiven Fertigungsprozess einen zusätzlichen Prozessschritt, der zeitaufwendig und kaum zu automatisieren ist, und daher einer autonomen Fertigung, wie sie durch die Additive Fertigung realisiert werden kann, entgegensteht.
Es werden unterschiedliche Strategien für die Stabilisierung des Pulverbetts und zur Erzielung einer hohen Packungsdichte der Partikel im Pulverbett aufgezeigt. Neben der Lagenweise SchlickerDeposition (LSD) werden Ergebnisse zur Gas Flow Assisted Powder Deposition vorgestellt.
The use of water based ceramic slurries as feedstock for the additive manufacture of ceramics has many advantages which are not fully exploit yet. In the layerwise slurry deposition (LSD) process a slurry with no or low organic content is repetitively spread as thin layers on each other by means of a doctor blade. During the deposition, the ceramic particles settle on the previously deposited and dried material to form thin layers with a high packing density (55-60%). The LSD therefore shares aspects both of tape casting and slip casting. The LSD differentiates from the classical powder-based AM layer deposition, which typically achieves with a flowable coarse grained powder a low packing density (35-50%) only, consequently hindering the ability of sintering ceramic parts to full density. The LSD is coupled with the principles of selective laser sintering (SLS) or binder jetting, to generate novel processes which take advantage of the possibility of achieving a highly dense powder-bed. Contrary to the LSD process, which requires drying of each individual layer, the direct interaction of ceramic slurries with intense laser radiation is a promising approach for the additive manufacture of ceramics, also. This presentation will provide a detailed discussion of the specific features of the slurry based processes, potentialities and issues connected to the layer deposition and describe the most recent developments in their application to technical ceramics.
The production of ceramic parts by an additive manufacturing process is still a challenging task. Especially in powder-based technologies, such as 3D printing or laser sintering, the feedstock material is commonly spread out as thin layers of a dry powder/granulate by a roller or a shaker system. As consequence the layers are characterized mostly by a low packing rate. On the other hand, from a ceramic processing viewpoint, appreciable densities can be achieved by the use of ceramic slurries. In this context, the so-called Layer-wise Slurry Deposition (LSD) process has been developed. An overview about the LSD process and latest advances in the development of this technology will be presented.