In dieser Dissertation wurde untersucht, inwieweit die Kombination von Mikrofluidik mit elektrophoretischer Formgebung zur additiven Herstellung von Keramikbauteilen genutzt werden kann. Mit Verfahren der Mikrofluidik sollten räumliche Strukturierung und Materialdifferenzierung erfolgen, während die elektrophoretische Abscheidung für die Ausbildung einer homogenen Mikrostruktur sorgt. Es wurde eine Versuchsanlage aufgebaut, die eine kontrollierte elektrophoretische Abscheidung von Keramikpartikeln, die durch eine Hohlelektrode zugeführt werden, auf porösen Membranen ermöglicht. Die Anlage bietet – im Unterschied zu bereits beschriebenen Verfahren – das Potenzial für eine hochgradige Parallelisierung und Multimaterialdruck. Schließlich wurden Finite-Elemente-Modelle zur Feldverteilung und zur Partikelbewegung entwickelt, mit denen die experimentellen Ergebnisse verglichen wurden. Bei den Versuchen traten viele in ihrem Ausmaß nicht erwartete Phänomene auf: elektrohydrodynamische Effekte und nichtelektrisch verursachte Strömungen des Lösungsmittels, die die Ausbeute und Reproduzierbarkeit sowie die Eigenschaften der abgeschiedenen Strukturen verschlechterten, was zusätzlichen Untersuchungen notwendig machte. In Ethanol wurden relevante Abscheideparameter systematisch variiert und die Struktur und das Gefüge der abgeschiedenen Al2O3-Partikel methodisch analysiert.
Die Arbeit war Teil eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sachbeihilfe-Projekts (KU 1327/10-1 | RA 614/7-1).:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 7
2 Stand der Forschung 8
2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8
2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9
2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10
2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11
2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12
2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15
2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16
3 Methodisches Vorgehen 19
3.1 Allgemeiner Aufbau 19
3.2 Elektroden 22
3.3 Lösungsmittel 24
3.4 Abscheidemembranen 25
3.5 Partikel und Suspensionen 27
3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30
3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32
3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32
3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33
3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33
4 Computersimulationen 35
5 Experimentelle Ergebnisse 41
5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41
5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45
5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51
5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60
5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener
Proben 63
6 Zusammenfassung und Ausblick 66
7 Quellenverzeichnis 69
8 Formelverzeichnis 78
9 Tabellenverzeichnis 78
10 Abbildungsverzeichnis 79
11 Anhang 83 / In this dissertation it was examined to what extent the combination of microfluidics with electrophoretic shaping can be used for the additive manufacturing of ceramic components. The spatial structuring and material differentiation should take place using microfluidic methods, while the electrophoretic deposition ensures the formation of a homogeneous microstructure. A test facility was set up that enables controlled electrophoretic deposition of ceramic particles, which are fed through a hollow electrode, onto porous membranes. In contrast to known processes, the system offers the potential for high-quality parallelization and multi-material printing. Finally, finite element models for field distribution and particle movement were developed, with which the experimental results were compared. During the experiments, many phenomena that were not expected occurred: electrohydrodynamic effects and non-electrically induced solvent flows, which reduced the yield and reproducibility as well as the properties of the deposited structures, that made additional studies necessary. We systematically varied relevant deposition parameters in the solvent ethanol and the microstructure of the deposited Al2O3 particles was methodically analyzed.
The work was part of a research grant project funded by the German Research Foundation (KU 1327 / 10-1 | RA 614 / 7-1).:Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 7
2 Stand der Forschung 8
2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8
2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9
2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10
2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11
2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12
2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15
2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16
3 Methodisches Vorgehen 19
3.1 Allgemeiner Aufbau 19
3.2 Elektroden 22
3.3 Lösungsmittel 24
3.4 Abscheidemembranen 25
3.5 Partikel und Suspensionen 27
3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30
3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32
3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32
3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33
3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33
4 Computersimulationen 35
5 Experimentelle Ergebnisse 41
5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41
5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45
5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51
5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60
5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener
Proben 63
6 Zusammenfassung und Ausblick 66
7 Quellenverzeichnis 69
8 Formelverzeichnis 78
9 Tabellenverzeichnis 78
10 Abbildungsverzeichnis 79
11 Anhang 83
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:73275 |
| Date | 14 January 2021 |
| Creators | Vogt, Lorenz |
| Contributors | Wagner, Guntram, Raether, Friedrich, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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