5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse
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Monodisperse iron oxide nanoparticles as reference material candidate for particle size measurements
(2020)
In order to utilize and rationally design materials at the nanoscale the reliable characterization of their physico-chemical properties is highly important, especially with respect to the assessment of their environmental or biological impact. Furthermore, the European Commission’s REACH Regulations require the registration of nanomaterials traded in quantities of at least 1 ton. Powders or dispersions where 50% (number distribution) of the constituent particles have sizes ≤ 100 nm in at least one dimension are defined as nanomaterials. This creates a need for industrial manufacturers and research or analytical service facilities to reliably characterize potential nanomaterials. Currently, BAM is developing reference nanoparticles, which shall expand the scarce list of worldwide available nano reference materials certified for particle size distribution and will also target other key parameters like shape, structure, porosity or functional properties. In this respect, materials like iron oxide or titanium dioxide are considered as candidates to complement the already available silica, Au, Ag, and polystyrene reference nanoparticles.
The thermal decomposition of iron oleate precursors in high boiling organic solvents can provide large quantities of iron oxide nanoparticles that can be varied in size and shape.[1, 2] The presence of oleic acid or other hydrophobic ligands as capping agents ensures stable dispersion in nonpolar solvents. Such monodisperse, spherical particles were synthesized at BAM and pre-characterized by electron microscopy (TEM, SEM including the transmission mode STEM-in-SEM) and dynamic light scattering comparing cumulants analysis and frequency power spectrum.
1. REACH regulations and nanosafety concerns create a strong need for nano reference materials with diverse properties.
2. Iron oxide nanoparticles are under development as new candidate reference material at BAM.
3. Narrow particle size distribution confirmed by light scattering and electron microscopy.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
Artificial bone replacement by individual customized three-dimensional resorbable bioactive glass has not yet been widely established in the clinical use. This is mainly due to the antagonism of sintering ability and suitable bioactivity. Competitive crystallization often prevents the generation of dense sintered bodies, especially for additive manufactured 3D structures. Previous studies of the fluoride-containing glass F3 have shown its potential to combine both sintering ability and suitable bioactivity. Furthermore, the occurring sintering blockade by surface crystallization of Na2CaSi2O6 was tunable by glass particle size.
In this study the glasses F3, F3-Cu with 1 mol% CuO added at the expense of CaO and the well-known 13-93 were chosen to determine the influence of surface crystallization on 3D printed sinter bodies. For this purpose, grain size fractions in range of smaller 32 µm to 315 µm in fraction size of 6-20 µm were sieved from jaw crushed glass frit as well as glass cubes were cut from casted blocks for all glasses. Sintering behavior of both pressed and printed powder compacts was observed via heating microscopy. Crystallization was determined by DTA and crystallization progress was monitored on fractured sinter bodies and polished cubes via electron and laser scanning microscopy as well as with diffractometry.
Depending on grain size the formation of crystalline support framework along former grain boundaries shows the capability to stabilize fully densified sinter bodies before softening. Beside of this, the generation of complex hierarchic porosity was possible as well.
The Global Exploration Strategy of the International Space Exploration Coordination Group (ISECG) describes a timeframe of 2020 and beyond with the ultimate aim to establish a human presence on Mars towards the 2040ies. The next steps lie on the Moon with a focus on the coming 10 years. Early lunar surface missions will establish a capability in support of lunar science and prepare and test mission operations for subsequent human exploration of Mars and long-duration human activities on the Moon.
Given the extreme costs involved in the shipping of material from Earth, a prerequisite for future human exploration is the manufacturing of elements directly on the Moon’s surface. Unlike the equipment, which at the beginning will have to be brought from Earth, raw materials and energy could be available following the concept of In-Situ Resource Utilization. The ESA OSIP PAVING THE ROAD (PAVER) study investigates the use of a laser to sinter regolith into paving elements for use as roadways and launch pads thus mitigating dust issues for transport and exploration vehicles.
The ESA-funded study examines the potential of using a laser (12 kW CO2 laser with spot beam up to 100 mm) for layer sintering of lunar and martian regolith powders to manufacture larger 3D elements and provide know-how for the automatic manufacture of paving elements in the lunar environment. The project contributes to the first step toward the establishment of a lunar base and will lead to the construction of equipment capable of paving areas and manufacturing 3D structures.
PAVER project sets the starting point for an examination of the larger context of lunar exploration. Mission scenarios will look at different phases of lunar exploration: Robotic Lunar Exploration, Survivability, Sustainability, and Operational Phase. A proposed Technology Roadmap investigates the mission scenario and analyses how, and to which extent, laser melting/sintering will play a role in the various phases of exploration. The paper contextualizes laser sintering within selected mission scenarios and discusses the different kinds of infrastructure that can be produced at each phase of the mission. The outcome of the study includes the detailing of the TRL steps in the project and an outline of a timeline for the different elements. Covered aspects include terrain modelling such as operation pads, roadways, or towers, non-pressurized building structures to protect machinery, and habitat envelopes, to protect and shield humans against dust, micrometeoroids, and radiation.
Tour de table - BAM
(2021)
Thermoelektrische Effekte beschreiben die direkte Verknüpfung von thermischer Energie und elektrischer Energie in Festkörpern. Durch Thermodiffusionsströme entsteht direkt, ohne beweg¬liche Teile, ein elektrisches Feld als Folge einer Temperaturdifferenz. Diese Material-eigenschaft wird durch den Seebeckkoeffizienten beschrieben. Je nach Art der Ladungs¬träger sind die indu¬zierte Spannung und der Seebeckkoeffizient positiv (p-Typ) oder negativ (n-Typ). Thermo¬elek¬trische Effekte lassen sich beispielsweise in Thermo¬elementen zur Temperatur-messung, in Pel¬tierelementen zum Kühlen oder Heizen und in thermo¬elektrischen Generatoren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nutzen.
In thermoelektrischen Generatoren werden Schenkel aus p-Typ- und n-Typ-Materialien elek-trisch in Reihe und thermisch parallel verschaltet. Konventionell werden einzelne Schenkel aus Bismut¬tellurid auf ein metallisiertes Substrat gelötet. Man spricht vom π-Typ-Design. Aufgrund auf¬wendiger Fertigung und nicht optimaler Flächennutzung stellt dieses Design nicht die best-mög¬liche Lösung dar. Neben Telluriden gibt es noch andere vielversprechende thermoelektrische Material¬systeme wie die oxidischen Thermoelektrika. Im Temperatur¬bereich oberhalb von 700 °C können oxidische thermoelektrische Materialien mit nichtoxidischen konkurrieren. Zudem sind sie oxidationsbeständig und können aus weniger toxischen und besser verfügbaren Rohstoffen her¬ge¬stellt werden. Da es sich um keramische Materialien handelt, können unter Nutzung der Multi¬layer¬technologie (auch Vielschicht- oder Mehrlagentechnik) Generatoren im Multilayer¬design hergestellt werden. Keramische Multi¬layer¬generatoren sind aufgrund der höheren Leis¬tungs¬dichte, der Möglichkeit der gezielten Texturierung und des hohen möglichen Auto¬mati¬sierungs¬grades des Herstellungs¬prozesses eine viel¬versprechende Alternative zu konven¬tionellen π-Typ-Generatoren. Alle Lagen werden in einem Schritt co-gesintert. Die beiden zum jetzigen Zeit¬punkt wohl viel¬versprechendsten oxi¬dischen Thermoelektrika sind Calcium-cobaltit Ca3Co4O9 als p-Typ und Calciummanganat CaMnO3 als n-Typ. Die Sinter¬tem¬peratur von Ca3Co4O9 ist durch eine Phasenumwandlung bei 926 °C beschränkt. Texturiertes, dichtes Ca3Co4O9 mit einer hohen Festigkeit kann nur über Hei߬pressen hergestellt werden. Das Co-Sintern von Ca3Co4O9 und CaMnO3 war wegen der Tem¬pera¬tur¬differenz von 350 K zwischen den jeweiligen Sinterintervallen bisher nicht möglich. Ziel dieser Arbeit war deshalb die Ent¬wick¬lung von kompatiblen oxidkeramischen Werkstoffen und Folien für thermoelektrische Multilayer-generatoren auf der Basis von Ca3Co4O9 und CaMnO3.
Daraus resultieren vier wesentliche Arbeitspakete. Zunächst die Materialentwicklungen von Ca3Co4O9 (p-Typ) und CaMnO3 (n-Typ) für ein Co-Sintern bei 900 °C mit akzeptablen thermoelek¬trischen Eigenschaften, dann die Entwicklung der weiteren im Generator benötigten Kompo¬nenten wie der Isolationsschicht und abschließend die Fertigung und Bewertung von Demonstra¬toren im Multi¬layer¬design.
Foliengießen und druckunterstütztes Sintern ermöglichen die Herstellung von dichtem, tex-turier¬tem Ca3Co4O9 mit hoher Festigkeit und hohem Leistungsfaktor. Letzterer ist das Produkt der elek¬trischen Leitfähigkeit und dem Quadrat des Seebeckkoeffizienten. Für die elektrische Leit¬fähigkeit zeigte sich in dieser Arbeit ein kombinierter Einfluss von Sinterdichte und Textur. Die thermo¬elektrischen Eigen¬schaften lassen sich somit über die Einstellung der Mikrostruktur gezielt steuern.
Durch die Optimierung der Pulversynthese, die Einführung des Sinteradditives CuO und die Kombi¬nation mit dem druckunterstützten Sintern (7,5 MPa) konnte die Sintertemperatur des CaMnO3 bei gleichbleibendem Leistungsfaktor von 1250 °C auf 950 °C gesenkt werden. Druck-unter¬stütztes Sintern von CaMnO3 ist bei 900 °C möglich, führt aber zu einem Werkstoff mit geringerem Leistungsfaktor, geringerer Dichte und ungenügender Festigkeit.
Zur elektrischen Isolation der beiden thermoelektrischen Materialien wurde ein Glas-Keramik-Kompo¬sit mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungs¬koef¬fizienten ent¬wickelt.
Aus den zu Folien vergossenen thermoelektrischen Materialien, der siebgedruckten Iso¬lations-schicht und der siebgedruckten Metallisierung wurden mittels Multilayertech¬nologie De¬mons-tratoren hergestellt. Neben dem pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 wurden auch Unileg-generatoren aus Ca3Co4O9 gefertigt. Bei Unileggeneratoren wird die Komplexität des Aufbaus durch die Verwendung von nur einem thermoelektrischen Material verringert. Die Simulation der Demonstratoren zeigte, dass der pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 keine höheren Leis-tungsdichten erbringt als der aus nur Ca3Co4O9 bestehende Unileg¬generator. Auf¬grund des ge-ringen Leistungsfaktors und der geringen Festigkeit des bei 900 °C gesinterten CaMnO3 er¬scheint die Fertigung von pn-Multilayer¬generatoren aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 derzeit nicht sinn¬voll. Die Unileg¬generatoren aus Ca3Co4O9 erreichen mit sehr hoher Reproduzier¬barkeit 2 mW/cm² bei einer Temperaturdifferenz von 230 K, dies entspricht 80 % der simulierten elektrischen Leistung. Es handelt sich hierbei um den ersten Machbarkeits¬nachweis zur Herstellung von Multilayer-generatoren auf Basis von texturiertem Ca3Co4O9 mit hohem thermoelektrischem Leistungsfaktor, hoher Dichte und hoher Festigkeit.
Solch thermoelektrische Multilayergeneratoren könnten zukünftig Systeme mit geringen elek-trischen Leistungsanforderungen wie Sensoren autark und nachhaltig mit elektrischer Energie ver¬sorgen.
Low-temperature co-fired ceramics (LTCC) are used to fabricate multilayer circuits which are robust in harsh environments. Thick-film technology is well established for the metallization of circuit boards and microsystems. For specific sensor applications, the combination of LTCC and thin-film technology is advantageous to reach higher structure resolutions. Due to the high roughness of as-fired LTCC surfaces compared with silicon-wafers, the deposition of low-defect- films with narrowly specified properties is challenging. There is spare literature about thin films on commercial LTCC comparing different material systems or sintering techniques. For developing thin film sensors on multilayer circuits it is crucial to identify thin-film-compatible commercial LTCC material as well as the crucial surface properties. In this work we evaluate the thin-film capability of different LTCC surfaces.
The as-fired surfaces of free-sintered, constrained-sintered (sacrificial tape), and pressure-assisted sintered commercial LTCCs (DP951, CT708, CT800), as well as respective polished surfaces, were analyzed by tactile and optical roughness measurements and scanning electron microscopy. The thin-film capability of the LTCC surfaces was assessed by sheet resistance and temperature coefficient of resistance (TCR) of deposited Ni thin-film layers. Contrary to the expectations, no correlation between roughness and thin-film capability was found. Ni thin films on constrained sintered DP951 show the lowest sheet resistance and highest TCR within the experimental framework of the as-fired surfaces. The influence of surface morphology on the film properties is discussed.
Thermoelectric generators can be used as energy harvesters for sensor applications. Multilayer thermoelectric generators (ML-TEGs) are a promising alternative to conventional π-type generators due to their high filling factor, high capability of automated production and the texturing potential during the production process. Calcium cobaltite is a promising thermoelectric oxide (p-type) with highly anisotropic properties. The following study shows the development of a textured unileg ML-TEG using ceramic multilayer technology.
Tape-casting and pressure assisted sintering are applied to fabricate textured calcium cobaltite. Compared to conventional sintering, pressure assisted sintering increases the strength by the factor 10. Thermoelectric properties can be tuned either towards maximum power factor or towards maximum figure of merit depending on the pressure level.
As electrical insulation material, a screen-printable glass-ceramic with high resistivity and adapted coefficient of thermal expansion is developed. From various commercial pastes a metallization with low contact resistance is chosen. The unileg ML-TEG is co-fired in one single step. The demonstrators reach 80% of the simulated output power and the power output is highly reproducible between the different demonstrators (99%). These results provide the first proof-of-concept for fabricating co-fired multilayer generators based on textured calcium cobaltite with high power factor, high density, and high strength.
Thermoelektrische Generatoren können zum „Energy harvesting“ für den autarken Betrieb von bspw. Sensoren eingesetzt werden. Eine interessante Alternative zu den herkömmlichen π-Typ Generatoren sind auf Grund der höheren Leistungsdichte und der guten Automatisierbarkeit thermoelektrische Multilayergeneratoren. Calciumcobaltit ist ein vielsprechendes oxidisches Thermoelektrika (p-Typ) mit stark anisotropen Eigenschaften. Die hier vorgestellte Studie zeigt die Entwicklung von texturierten Unileg-Multilayer-Generatoren mittels keramischer Multilayertechnologie.
Calciumcobaltit wird durch Foliengießen und druckunterstützte Sinterung texturiert. Im Vergleich zur konventionellen Sinterung verbessert sich die Festigkeit um den Faktor 10. Die thermoelektrischen Eigenschaften können je nach verwendetem Druckniveau hinsichtlich maximalem Power Factor oder hinsichtlich maximalem Gütefaktor optimiert werden.
Ein Glaskeramikkomposit wird als Isolationsmaterial mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten entwickelt. Der Unileg-Multilayer-Generator wird in einem Schritt co-gesintert. Die hergestellten Demonstratoren erreichen 80% der simulierten Output-Leistung. Diese Ergebnisse stellen den ersten Machbarkeitsnachweis für die Herstellung von co-gesinterten Multilayer-Generatoren aus texturiertem Calciumcobaltit mit hohem Power Factor und hoher Festigkeit dar.
Thermoelectric generators can be used for energy harvesting by directly transforming a temperature gradient into a voltage. Multilayer generators based on ceramic multilayer technology are an interesting alternative to conventional π-type generators. They exhibit several advantages like high filling factor, possibility of texturing, co-firing of all materials in one single-step, and reduction of production costs due to the high possible degree of automation. But, co-firing of promising oxide thermoelectric materials, Ca3Co4O9 (p-type) and CaMnO3 (n-type), is very challenging due to the large difference in sintering temperature (300 K).
In this work we show the material development of Ca3Co4O9, CaMnO3, and insulation for multilayer generators co-fired under uniaxial pressure at 900 °C. The materials are tailored regarding their sintering behavior, electrical performance and coefficients of thermal expansion. Tape-casting and pressure assisted sintering are applied to fabricate textured Ca3Co4O9. Compared to conventional sintering, pressure assisted sintering increases the strength by the factor 10 and the power factor by the factor of 20. The combination of sintering additives and uniaxial pressure is used to decrease the sintering temperature of CaMnO3 to 900 °C while maintaining acceptable thermoelectric properties.
Different generator designs (unileg and pn-type) were fabricated and analyzed regarding microstructure and thermoelectric performance. A lower level of complexity is beneficial for co-firing and performance. The unileg demonstrators reach 80% of the simulated output power and the power output is highly reproducible between the different demonstrators (99%).