Robocasting of Reaction-Bonded Carbides
Robocasting von reaktionsgebundenen Karbiden
Creators: name: Wahl, Larissa
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: Robocasting
Additive Manufacturing
Reaction-bonded carbides
Multi-Material Printing
Residual stresses

description: Additive manufacturing (AM) opens up numerous new application fields, especially in the field of ceramic-based materials. The possibility of producing complex structures without the need for expensive and time-consuming post-processing offers a variety of advantages, which is the reason for the high research activity in the field of AM of ceramics. Various processes based on different starting materials and dimensional orders have been used to produce ceramic materials. Robocasting, the AM process used in this work, is based on the extrusion of highly viscous pastes. Depending on the used starting powder, a wide range of ceramics can be processed with this method. In addition, struts with different diameters and shapes can be extruded, and the printing of components composed of different materials, so-called multi-material printing, is also possible. Incorporating non-spherical particles into the paste to achieve anisotropic properties or fabricating core-shell structures are other features of this method. The main goal of this work was the investigation of the microstructure and mechanical properties of reaction-bonded carbides to be manufactured by AM, in particular, robocasting, in combination with liquid silicon infiltration. The dissertation is divided into two main parts; the single-material printing of reaction-bonded silicon carbide and the multi-material printing of carbides. In this work, the feasibility of producing reaction-bonded carbides utilizing robocasting and liquid silicon infiltration was demonstrated. By developing and printing different pastes, reaction-bonded silicon carbide, reaction-bonded boron carbide, and reaction-bonded silicon and boron carbide composite samples could be manufactured. Furthermore, the composition of the final materials and their mechanical properties were investigated, and they are comparable to values of traditionally fabricated reaction-bonded carbides. Thus, it was shown that the shaping method used has no negative influence on the properties. With the knowledge gained, layered composites with different layer thicknesses and compositions were fabricated using multi-material printing. In multi-material samples, massive crack formation was observed in the reaction-bonded boron carbide layers after infiltration, which can be explained by the generation of residual stresses. The crack formation could be prevented by replacing the pure reaction-bonded boron carbide layers with mixed reaction-bonded silicon and boron carbide. In order to understand the influence of these stresses, they were theoretically calculated and experimentally determined. The macro-stresses in the layers were investigated by image analysis of the crack pattern obtained by Vickers indentation and micro-stresses could be spatially resolved by Raman spectroscopy. These measurements reveal both compressive and tensile stresses in the respective layers, which were used to explain the crack formation. The results achieved in this cumulative Ph.D. thesis and their analysis were published in four peer-reviewed international journals and presented at five national and international conferences.
description: Die additive Fertigung (AM) eröffnet zahlreiche neue Anwendungsfelder, insbesondere im Bereich der keramischen Werkstoffe. Die Möglichkeit komplexe Strukturen ohne die teure und zeitaufwändige Nachbearbeitung herzustellen, bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Dies ist der Grund für die hohe Forschungsaktivität auf dem Gebiet der AM von Keramiken. Für die Herstellung von keramischen Werkstoffen werden verschiedene Verfahren auf der Grundlage unterschiedlicher Ausgangsmaterialien und Dimensionen eingesetzt. Robocasting, das in dieser Arbeit verwendete Verfahren, basiert auf der Extrusion von hochviskosen Pasten. Je nach verwendetem Ausgangspulver kann mit diesem Verfahren eine breite Palette von Keramiken verarbeitet werden. Darüber hinaus können Filamente mit unterschiedlichen Durchmessern und Formen extrudiert werden und auch der Druck von Bauteilen aus verschiedenen Materialien, der sogenannte Multimaterialdruck, ist möglich. Das Einbringen von nicht-sphärischen Partikeln in die Paste zur Erzielung anisotroper Eigenschaften oder die Herstellung von Core-Shell Strukturen sind weitere Besonderheiten dieses Verfahrens. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften von reaktionsgebundenen Karbiden, die mittels AM hergestellt werden; insbesondere soll das AM-Verfahren Robocasting in Kombination mit der Flüssigsilikoninfiltration eingesetzt werden. Die Dissertation gliedert sich in zwei Hauptteile: erstens der Einmaterialdruck von reaktionsgebundenem Siliziumkarbid und zweitens der Multimaterialdruck von Karbiden. In dieser Arbeit wurde die Machbarkeit der Herstellung reaktionsgebundener Karbide mittels Robocasting und Flüssigsilikoninfiltration nachgewiesen. Durch die Entwicklung und den Druck verschiedener Pasten konnten reaktionsgebundene Siliziumkarbid-, reaktionsgebundene Borkarbid- und reaktionsgebundene Silizium- und Borkarbid-Proben hergestellt werden. Darüber hinaus wurde die Zusammensetzung der fertigen Werkstoffe und ihre mechanischen Eigenschaften untersucht, welche mit den Werten traditionell hergestellter reaktionsgebundener Karbide vergleichbar sind. Somit konnte gezeigt werden, dass die verwendete Formgebungsmethode keinen negativen Einfluss auf die Eigenschaften hat. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurden Schichtverbundwerkstoffe mit unterschiedlichen Schichtdicken und Zusammensetzungen im Multimaterialdruckverfahren hergestellt. Bei den Multimaterialproben wurde nach der Infiltration eine massive Rissbildung in den reaktionsgebundenen Borkarbidschichten beobachtet, welche sich durch die Entstehung von Eigenspannungen erklären lässt. Die Rissbildung konnte verhindert werden, indem die reinen reaktionsgebundenen Borkarbidschichten durch gemischte reaktionsgebundene Silizium- und Borkarbidschichten ersetzt wurden. Um den Einfluss dieser Spannungen zu verstehen, wurden sie theoretisch berechnet und experimentell bestimmt. Die Makrospannungen in den Schichten wurden durch Bildanalyse des durch Vickers-Indents erhaltenen Rissmusters untersucht und die Mikrospannungen konnten durch Raman-Spektroskopie räumlich aufgelöst werden. Diese Messungen lassen sowohl Druck-, als auch Zugspannungen in den jeweiligen Schichten erkennen, die zur Erklärung der Rissbildung herangezogen wurden. Die in dieser kummulativen Doktorarbeit erzielten Ergebnisse und ihre Analyse wurden in vier von Experten begutachteten internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht und auf fünf nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt.