A. Grimm, S. Bast, R. Tillmanns, M. Schumacher

Keramik Leichtbauteile, Teil 1 *

"'11(.:&'1'18]:111:. Keramik Folien, 3D-Formung von

keramischen Folien, Rapid Prototyping, 3D-Drucken von

keramischen Modellen und Bauteilen, CAD-Konstruktion,

FEM-Berechnung Keram. Z. 58 (2006) [1]

1 Einleitung

Leichtbauteile können auf vielfältige Weise

hergestellt werden. Die drei folgenden Ansät-

ze finden sich im Internet [1]: Ansatz 1: Der

Formleichtbau, bei dem eine angepasste Di-

mensionierung des Bauteils und eine optima-

le Ausnutzung der Werkstoffeigenschaften das

Funktionsverhalten des leichtbauteils verbes-

sert, Ansatz 2: der Stoffleichtbau, der durch Sub-

stitution schwerer Werkstoffe durch alternati-

ve leichtere Werkstoffe bei gleichzeitiger Si-

cherung bzw. Steigerung der Festigkeits- oder

Steifigkeitseigenschaften der leichtbauteile ge-

kennzeichnet ist und Ansatz 3: der Struktur-

Ieichtbau, bei dem leichtbauteile unter Ein-

satz neuartiger Strukturen leichter ausgeführt

wird.Der Einsatz von Keramiken liefert viele Vor-

teile gegenüber Metallen durch die höhere Stei-

figkeit (Ansatz 1) und das geringere Gewicht

(Ansatz 2). Als Schalenkörper mit innerem kon-

struiertem Stützgerüst werden zudem neuarti-

ge Strukturen (Ansatz 3) vorgeschlagen. Dabei

dient die Foliengießtechnik [2] zur Herstellung

der Schalenkörper. Das Stützgerüst wird durch

traditionelle Techniken wie Faserblock-, leicht-

betonkörper oder moderner mittels 3D-Dru-

ckens konstruierter Stützgewölbe erzeugt.

In der Natur finden sich vielfältige Hinweise

darauf, wie solche Stützgewölbe aussehen soll-

ten [3] (Bild 1). pflanzen und Tiere liefern mit

.[tIJ:"A":.""""~[C8 Mit Hilfe der Foliengießtechnik

werden keramische Folien hergestellt, die als Substrate

oder Piezoelemente in der Elektronik Verwendung fin-

den. Es konnte nachgewiesen werden, dass es zudem

mit geeigneten polymeren Zuschlagstoffen und dem bei

Metallen und Polymeren weitverbreiteten Verfahren des

Tiefziehens möglich ist, dreidimensional geformte Kera-

mikfolien zu erzeugen. Diese können zur mechanischen

Stabilisierung als keramische Schalen durch leichte

Faserblöcke, Leichtbetonkörper oder konstruiert poröse

3D-gedruckte Gewölbe unterstützt werden. Auf diesem

Weg entstehen Keramikleichtbauteile, die sich besonders

für die Luft- und Raumfahrt aber auch für den mobilen

Bereich eignen.

Bild 1 . Biomineralisierte Einzeller aus [2]

~"'E"-01

~~"-0

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t/):J..J:Ja0~

uLi:Üwa.t/)

Ceramic Lightweight Compo.

nents, Part 1

Tape cast ceramic foils are used as substrates or pie-

zoelectric elements in electronic engineering. Now it

was proved that the use of suitable polymeric additives

in conjunction with deep drawing, a process widely

used in the steel and plastics processing industry, ena-

bles ceramic foils to be produced a5 three-dimensional

shapes. The ceramic shells produced in this way can be

mechanically stabilized by light fibre blocks, lightweight

concrete bodies or porous 3D printed scaffold structu-

res. This concept opens up new possibilities in the

manufacture of ceramic lightweight components. espe-

cially fot aerospace applications but also fot the auto-

mobile industry.01 1 10 100 1000

SPECIFIC STRENGTH Di/p (Mpaj(Mgjm3»

-lQOOO

*) Vortrag auf dem 1. Höhr-Grenzhäuser Symposium,

1.-2. Juni 2005. Ceratech-Center. Höhr-Grenzhausen Bild 2 . Ashbv Map mit spezifischen E-Modul in Abhänoiokeit von der sDezifischen Festiokeit aus f41

Prof. Dr. rer. nato Manfred

Schumacher (57) studierte an

der FH Aachen, Abt. Jülich,

Physikalische Technik und an

der RWTH Aachen Festkörper-

physik. Nach seiner Promotion

am Max-Planck-Institut für Ei-

senforschung in Düsseldorf war er wissenschaftlicher

Mitarbeiter bei der Feldmühle (heute CeramTec) in

Plochingen. Anschließend war er als Leiter der Abtei-

lung Werkstofftechnik im Naturwissenschaftlichen

und Medizinischen Institut (NMI) in Reutlingen tätig.

Seit 1993 ist er Professor an der Fachhochschule Ko-

blenz, Fachbereich Werkstofftechnik Glas und Kera-

mik, in Höhr-Grenzhausen und ist dort für die Fachge-

biete Mathematik, Physik und Technische Keramik zu-

ständig.

der Zellstruktur von Holz und Schwamm vieleHinweise. Im Zusammenhang mit dem Ver-

gleich der Eigenschaften [4] (Bild 2) auch na-türlicher Werkstoffe kann der optimale Werk-stoff ,für jeden Einsatzfall gefunden werden.

Poröse Werkstoffe sind dort genauso ver-

tret~n wie fasrige Werkstoffe. Die Thermo-

schockbeständigkeit, aus dem thermischenVerhalten von E-Modul, Festigkeit und Aus-

dehnungskoeffizient berechnet [5], sc~eint beieiner Porosität von 5 % maximal zu sein. DieWeibull-Statistik ergibt für das Festigkeitsver-halten von Keramiken eine negative Abhän-

gigkeit vomVolumen. So nimmt die Festigkeits mit steigender Bauteilgröße V bei kleinem

Weibullmodul m stark ab:

11mv~-1-~)

~=°2

Daraus leiten sich die für diese Forschungs-arbeiten motivj.erenden Fragen ab: Steigt die

Festigkeit mit abnehmendem Volumen, mitabnehmender Wandstärke und bei der Form-änderung vom Kubus über das Plättchen zurFaser? Die Erfahrung zeigt, dass das richtig ist.Bedeutet das aber gleichzeitig auch, dass ein

Schalenkörper mit Stützgewölbe eine höhererelative Festigkeit besitzt als ein Vollkörper?

durch eine Masse von 100 kg eine maximaleZugspannung von ca. 75 MPa. Das bedeutet,dass die Duschtasse auch ohne Faserblock- oder

leichtbetonunterlage weit unterhalb der Fes-tigkeit des Werkstoffs belastet wird und des-wegen nicht brechen wird.

Mit Hilfe der Foliengießtechnik, die auch zurHerstellung von faserverstärkten SiC-Folien [6]verwendet wurde, konnten unter Verwendung

geeigneter Plastifizierungsmittel und Bindertiefziehbare Folien hergestellt werden. ZweiPolymere (S und SW) [7] erwiesen sich als ge-eignet, wobei das Polymer S wesentlich höhe-re Verformungen zeigte. Bild 4 zeigt das Ver-

halten der Polymere nach der Verformung im

Kugel-Ring-System. Sie wurden schließlich inden Keramikrezepturen verwendet. Nach demTrocknen wurden die Keramikfolien mittels

Kugel-Ring-, zwei Ringwellenscheiben oder ei-nem Kleinwarmumformgerät verformt, ent-bindert und gesintert. Bild 5 zeigt bei ver-schiedenen Verformungslasten erzeugte ZrOz-Folien im Zustand nach dem Sintern. Die Zu-

sammenfassung dieser Ergebnisse in Bild 6zeigt 10(}-120 % bleibende Verformung für diemeisten Keramiken und 180 % für ZrOz.

2 Tiefziehbare Folien

Dreidimensional geformte Keramikschalenkönnen überall dort eingesetzt werden, wo Ge-

wichtseinsparungen parallel gefordert sind mit

Sterilisierbarkeit, Kratzfestigkeit, Glanz undSchönheit der Oberfläche. So ergeben sich z.B.Einsatzgebiete im mobilen Bereich wie beiWohnmobilen und Flugzeugen. FEM-Simula-

tionsrechnungen (Bild 3) an einer nur am Randunterstützten Duschtasse ergeben bei einerSchalenstärke von 3 mm und einer Belastung

200,0

Bild 3 . FEM-Netz zur Simulationsrechnung~,'"c~E~t:~

2.1 Gefügecharakte-

risierungDie Gefüge der ge-

sinterten AI2O3-Folien-eines davon ist in Bild7 zu sehen - zeigen ei-

ne zunehmend stärke-re Konsolidierung mit

steigender Sintertem-peratur, abnehmenden

B"ld6 BI "b d V rf d h" d K "k hd S" Feinanteil und eine ho-I . el en e e ormungen er versc le enen eraml en nac em Internmogene enge Poren-

verteilung im IJm-Be-

reich" Der verwendete

Binder scheint keinen

großen Einfluss auf das

Gefüge zu haben"

AI,O, S AI,O, SW AlZrS ZrC2S SIC S SI,N,S-MetaJllOnTI

Bild 4 . Polymere Sund SW nach Verformung

2.2 Festigkeit

Die Festigkeit der Ke-

ramik wurde an Streifen

im 4-Punkt-Biegever-

such gemessen. Die

Streuung (Bild 8) ist recht

groß, da die Streifen

nach dem Sintern leicht

gebogen oder tordiert

waren und deswegen ei-

ne exakte Auflage nicht

zustande kam.

Bild 5. Verformte ZrO,-Folien bei verschiedenen

Umform lasten nach dem Sintern Bild 7. Gefüge vonAI,O3-SW nach 1630.(

DanksagungWir danken dem BMBF und dem Projektträ-

ger AIF für die Förderung der Projekte "An-

wendung des Tiefziehens auf keramische Fo-lien" Förderkennzeichen 1709201 und "RapidPrototyping3D-Drucken von keramischen Mo-dellen und Bauteilen" Förderkennzeichen

1711303.

~1600DC . 1630DC1000DCIf

2.4 2.6 2.8Dichte / g/cm'

3

Bild 8 . Festigkeit von AI2O3-SW nach dem Sintern.,

Bild 11 . Erwartete Deformationenl i

~ schiedener Werkstoffe für Schale und Stützsys-tem.

Schwerpunkt des laufenden Projekts [8] ist

es, mit Keramikpulvern im 3D-Drucker direkt

Bauteile wie diese Stützgewölbe herzustellen

und deren Geometrieentwicklungwährend des

Trocknens, Entbinderns und Sinterns zu ver-

folgen. Dies wird erreicht mit einem optischen

Vermessungssystem, das mit der Streifenlicht-

Projektion und zwei hochauflösenden Kame-

ras arbeitet. Die Ergebnisse der Geometrieab-

weichungen (Bild 11) werden zurückgeführt indie Konstruktion, um als Sinterkörper die Geo-

metrie zu erhalten, die gewünscht wurde.

20 40 50 ~

Anteil an der theoretischen Dichte I %

100 1

Bild 9 Extrapolation der gemessenen Festigkeits-

werte für AI,O3-SW

Die erreichten Sinterdichten lagen bei ZrOzbei 90 % und bei AlzO3 nur bis zu 75%.

Die bei Dichtsinterung zu extrapolierenden

Festigkeitswerte (Bild 9) liegen bei 500 MPa, ei-nem für diese Keramik normalen Wert.

Die erreichten Dichten sind für Anwendun-gen im Filtrationsbereich geeignet. Die Repro-

duzierbarkeit der Geometrie ist genauso wiedie Dichte deutlich verbesserbar. 2.4 Zusammenfassung und Ausblick

Keramische Rezepturen konnten so modifi-ziert werden, dass es möglich war, die herge-stellten Folien in eine dreidimensionale Form

zu bringen, ohne dass Risse oder sonstige Schä-den an den Grünteilen entstanden. Nach demEntformen wurden die 3D-Körper ohne Scha-

den getrocknet, entbindert und gebrannt. Esergaben sich biszu 180 % bleibende Verfor-mungen nach dem Sintern. Auch die gemes-senen Festigkeiten lagen unter Berücksichti-

gung der Porosität im normalen Bereich derWerkstoffe. Reproduzierbarkeit der Geometrieund Sinterdichte sind verbesserbar u.nd Thema

der weiteren Entwicklung. Die potentiellen An-wendungen der tiefgezogenen Folien sind imFlieg- oder Fliehbereich und im mobilen Be-reich und in der Filtration zu sehen. Insbeson-dere auch dort, wo sterile, glatte und ver-

schieißfeste Oberflächen benötigt werden. Zu-sammen mit der Möglichkeit, leicht Stützkon-struktionen mit dem 3D-Drucker zu realisie-ren, sind leichtbauteile mit konstruierter und

damit gezielt eingebrachter Porosität reali-sierbar.

Literatur

[1] http://mlu.mw.tu-dresden.de/modu-le/mO04/sta rt/leichtba u .htm

[2] Schumacher, M., Bast, S., Grimm, A.:Schlussbericht zum BMBF-Projekt 1709201

"Anwendung des Tiefziehens auf kerami-

sche Folien"

[3] http://www.awi-bremerhaven.de//n/leichtbau/index-d.html , Dr. Christian

Hamm[4] Ashby, M.F.: Materials Selection in Me-

chanical Design, Engineering Department.

University of Cambridge, UK, Butterworth

/ Heinemann 1992 ISBN 0750627271

[5] Ondracek, G.: Microstructure- Thermo-

chemical-property Correlations of Two-

Phase and Porous Materials. Materials Che-

mistry and Physics 15 (1986) 281-313

[6] Kriegesmann, J., Schumacher M.: Herstel-

lung und Festigkeitsverhalten von SiC-fa-

serverstärktem rekristallisiertem SiC. Ke-

farn. Z. 55 (2003) [12]

[7] Schumacher, M., Jonas, S., Fuß, R., Pa-

penfuhs B.: Zusammensetzung für die Her-

stellung von keramischen Formkörpern,

die aus der Zusammen$etzung erhält-

lichen Grünlinge und keramischen Form-

körper, Offenlegungsschrift DE 103 20 969

A1 vom 25.11.2004, Kuraray Specialities

Europe GmbH, D-65926 Frankfurt am Main

[8] Grimm, A., Tillmanns, R., Schumacher, M.:

Rapid Prototypingvon keramischen Bau-

teilen und Modellen, BMBF-Projekt

1711303, Zwischenbericht 2004

2.3 Stützstruktur mittels 3D-Druckens

Mit Hilfe von CAD-Programmen können na-

hezu beliebige Konstruktionen für innere Stütz-

systeme und Gewölbe erzeugt werden (Bild 10).

Sie sind ein wesentliches Element für die leicht-

konstruktion. Die Verbindung bei der Techno-

logien - Folienguss mit Tiefzug und 3D-Dru-

cken - erlaubt zudem Kombinationen ver-

Bild 10. Stützkörper mit 90 % Porosität Fortsetzung folgt