5 Werkstofftechnik
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Organisationseinheit der BAM
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- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (38)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (30)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (27)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (21)
- 5.6 Glas (19)
- 7 Bauwerkssicherheit (18)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (15)
- 5.5 Materialmodellierung (14)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (12)
Eingeladener Vortrag
- nein (73)
Additive manufacturing of alkali-activated materials currently attracts a lot of attention, because of the possibility to produce customized high-performance elements for a range of applications, potentially being more resource-efficient than conventionally produced parts. Here, we describe a new additive manufacturing process for alkali-activated materials that is based on selective laser-heating of lithium aluminate/microsilica slurries. The new process-material combination allows to manufacture elements with complex geometries at high building rates and high accuracy. The process is versatile and transferrable to structures of sizes differing by orders of magnitude. The mechanical strength of the obtained materials was in the range of values reported for conventional metakaolin-based geopolymers, and superior to what has been hitherto reported for alkali-activated materials produced by additive manufacturing. This mechanical performance was obtained despite the fact that the degree of reaction of the lithium aluminate and the microsilica was low, suggesting that significant reactions took place only at the surface of the microsilica particles.
Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
Powder bed -based technologies are amongst the most successful Additive Manufacturing (AM) techniques. "Selective laser sintering/melting" (SLS/SLM) and "binder jetting 3D printing" (3DP) especially are leading AM technologies for metals and polymers, thanks to their high productivity and scalability. In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) has been developed as a layer deposition method which enables the use of SLS/SLM and 3DP technologies for advanced ceramic materials. LSD consists in the layer-by-layer deposition of a ceramic slurry by means of a doctor blade. Each layer is deposited and dried to achieve a highly packed powder layer, which can be used for SLM or for 3DP. This technique offers high flexibility in the ceramic feedstock used, especially concerning material and particle size, and is capable of producing parts with physical and mechanical properties comparable to traditionally shaped parts. In this presentation, the LSD technique will be introduced and several examples of application to porcelain, SiC and alumina products will be reported.
The layerwise slurry deposition (LSD) has been established in the recent years as a method for the deposition of ceramic powder layers. The LSD consists in the layer-by-layer deposition of a ceramic slurry by means of a doctor blade; each layer is sequentially deposited and dried to achieve a highly packed powder layer.
The combination of binder jetting and LSD was introduced as a novel technology named LSD-print. The LSD-print takes advantage of the speed of binder jetting to print large areas, parallel to the flexibility of the LSD, which allows the deposition of highly packed powder layers with a variety of ceramic materials.
The working principle and history of the LSD technology will be shortly discussed. A theoretical background will be also discussed, highlighting advantages and drawbacks of the LSD compared to the deposition of a dry powder.
The last part of the talk will be dedicated to highlight recent results on the LSD-print of SiSiC of geometrically complex components, in collaboration between BAM and HC Starck Ceramics GmbH. Density, microstructure and mechanical properties of LSD-printed and isostatic pressed samples will be discussed and compared.
During their lifetime, polymer components subjected to mechanical loads and environmental influences show a loss of their mechanical properties required for their specific applications. In this respect, the craze-crack damage mechanism slow crack growth (SCG) is relevant for PE-HD components used in high-performance applications such as pipes and containers for the storage and transport of dangerous goods. SCG is considered to be the major failure mechanism in polyolefins and it typically occurs suddenly and unexpectedly. Due to the fields of application, SCG is a safety relevant issue. To test for the resistance of PE-HD pipe and container materials against SCG, the full-notch creep test (FNCT) is widely applied in Europe. In this study, SCG phenomena in PE-HD are investigated in detail based on an improved FNCT, especially including the consideration of the influence of environmental liquids effecting the damage mechanism. Using an enhanced fracture surface and a crack propagation analysis with imaging techniques such as light microscopy (LM), laser scanning microscopy (LSM), X-ray computed tomography (CT-scan) and scanning electron microscopy (SEM), detailed data concerning SCG are obtained.
The combined application of FNCT and such imaging techniques is explicitly advantageous and recommended to gain important information on damage occurring to PE-HD induced by mechanical stress and the influence of environmental liquids, which is essential within the Fourth Industry Revolution.
Powder bed -based technologies are amongst the most successful Additive Manufacturing (AM) techniques. "Selective laser sintering/melting" (SLS/SLM) and "binder jetting 3D printing" (3DP) especially are leading AM technologies for metals and polymers, thanks to their high productivity and scalability.
However, the flowability of the powder used in these processes is essential to achieve defect-free and densely packed powder layers. For standard powder bed AM technologies, this limits the use of many raw materials which are too fine or too cohesive.
This presentation will discuss the possibilities to either optimize the powder raw material to adapt it to the specific AM process, or to develop novel AM technologies which are able to process powders in a wider range of conditions.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) has been developed as a layer deposition method which enables the use of very fine ceramic particles. Another technology, the Gas Flow Assisted Powder Deposition, can increase the stability of the powder bed and the packing density, even in extreme conditions such as in absence of gravitational forces.
Powder bed -based technologies are amongst the most successful Additive Manufacturing (AM) techniques. "Selective laser sintering/melting" (SLS/SLM) and "binder jetting 3D printing" (3DP) especially are leading AM technologies for metals and polymers, thanks to their high productivity and scalability.
However, the flowability of the powder used in these processes is essential to achieve defect-free and densely packed powder layers. For standard powder bed AM technologies, this limits the use of many raw materials which are too fine or too cohesive.
This presentation will discuss the possibilities to either optimize the powder raw material to adapt it to the specific AM process, or to develop novel AM technologies which are able to process powders in a wider range of conditions.
In this context, the "layerwise slurry deposition" (LSD) has been developed as a layer deposition method which enables the use of very fine ceramic particles.
An overview of the BAM funed Focus Area Materials Project "AGIL" will be presented. AGIL focussed on the stdiy of the ageing characteristics of additively manufactured austenitic stainless steel with a "powder to mechanical failure" Approach. Recent Highlights are presented and a perspective for future studies.
Die Strukturierung keramischer Grünfolien und Laminate ist ein wesentlicher Prozessschritt in der keramischen Multilayer-Technologie und begründet die funktionelle Vielfalt keramischer Multilayer. Benötigt wird die Grünbearbeitung für die Herstellung elektrischer und thermischer Vias sowie innerer Kavitäten und Kanäle für Transport und Lagerung von Gasen und Flüssigkeiten in hochintegrierten Schaltungsträgern, Sensoren und Reaktoren. Standardverfahren in der industriellen Fertigung sind Heißschneiden, Stanzen und Laserbearbeitung. Darüber hinaus werden auch Bohren, Fräsen, Sägen und Heißprägen verwendet. Über die Erprobung weiterer Verfahren wie Wasserstrahlschneiden, Dampfstrahlätzen und Powder Blasting wird in der Literatur berichtet.
Im Vortrag werden spezifische Vor- und Nachteile der eingesetzten Verfahren beleuchtet. Abschließend werden die Kriterien für die Auswahl des optimalen Strukturierungsverfahrens diskutiert. Zusammensetzung und Gefüge sowie die dadurch bedingten mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften sowie das Absorptionsverhalten von Grünfolien sind sehr unterschiedlich. Daraus resultieren unterschiedliche optimale Bearbeitbarkeitsparameter.
Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.