title: Additive Manufacturing of Cellular Lead-Free Ceramics
title: Additive Fertigung von zellularen bleifreien Keramiken
Creators: name: Köllner, David
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Additive manufacturing of cellular lead-free ceramics will provide a more environmentally friendly and resource-efficient method to produce highly efficient piezoelectric devices in the future. Through processes commonly referred to as 3D printing, new cellular structures that cannot be produced by any traditional method become feasible. The correlation between cellular structure and mechanical and piezoelectric properties must be further explained to fully exploit the potential for future applications. This work aimed to combine additive manufacturing and traditional processes to produce cellular lead-free ceramics and investigate the influence of the cellular structure on the mechanical and piezoelectric properties. For this purpose, vat photopolymerization (VPP) and ceramic injection molding were used to fabricate different honeycomb structures from alumina and barium titanate-based ceramics precisely. Using the alumina honeycombs, the dependence of the mechanical strength on the internal structural angles of the unit cells was shown, in particular, confirming the theoretical model of Gibson and Ashby. In addition, a trans-material model was established to predict ceramic honeycombs’ internal stresses, fracture behavior, and strengths from photoelastic measurements of transparent polymer prototypes. The relationship between cellular structure and mechanical properties was confirmed using BCZT honeycombs. The piezoelectric properties were characterized on these, and a relationship to the cellular structure was established. In addition, FEM simulations were performed to determine surface stresses, which further explained the effect of the structure on the piezoelectric properties. Furthermore, via the replica process, a fabrication method was developed to transform VPP-printed polymer templates into cellular alumina, barium titanate, and BCZT structures. Mechanical properties were first characterized on these, and the influence of the strut shape of the template, as well as additional coatings, were investigated. More complex light-weight honeycombs were prepared by this method, and the mechanical and piezoelectric properties were characterized. It could be shown that there is a correlation between specific surface, depolarization, and piezoelectric coefficients. In general, this work demonstrated clearly that complex cellular structures can be fabricated via a combination of additive manufacturing and conventional techniques. In particular, the mechanical properties of honeycombs and light-frame honeycombs can be precisely predicted using known and adapted models. With a deeper understanding of how cellular structure, mechanical, and piezoelectric properties are related, the properties can be specifically influenced. The results proved the high potential of cellular lead-free ceramics through targeted structuring to simultaneously achieve high mechanical strengths, piezoelectric performance, and weight reduction. This enabled light-frame honeycombs that have the same piezoelectric performance (FOM33 up to 20000 × 10^-15 m^2/N) as normal honeycombs but can save 27% of weight. This enormously increases the attractiveness of complex cellular lead-free ceramics for future applications. Especially in actuators and energy harvesting, since not only the piezoelectric coefficients but also the permittivity and the effective modulus of elasticity determine the efficiency, which can be influenced by the findings of this work through suitable structuring.
description: Die Additive Fertigung von zellularen bleifreien Keramiken wird zukünftig eine umweltfreundlichere und ressourceneffizientere Methode darstellen, um hocheffiziente piezoelektrische Bauelemente herzustellen. Durch die allgemein als 3D-Druck bezeichneten Prozesse werden neue zellulare Strukturen fertigbar, die mit keinem traditionellen Verfahren hergestellt werden können. Aktuell gibt es jedoch noch keine konkrete Korrelation zwischen zellularer Struktur, mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften. Ziel dieser Arbeit war es über die Kombination von additiver Fertigung und traditionellen Verfahren zellulare bleifreie Keramiken herzustellen und den Einfluss der zellularen Struktur auf die mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften zu untersuchen. Zunächst konnten über Vat Photopolimerisatzion (VPP) und keramischen Spritzguss unterschiedliche Honigwabenstrukturen aus Aluminiumoxid und Bariumtitanat basierten Keramiken präzise gefertigt werden. Anhand der Aluminiumoxid Honigwaben wurde insbesondere die Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit von den inneren strukturellen Winkeln der Einheitszellen gezeigt, wodurch das theoretische Modell von Gibson und Ashby bestätigt wurde. Zusätzlich konnte ein materialübergreifendes Modell erstellt werden, um aus photoelastischen Messungen transparenter Polymerprototypen die inneren Spannungen, das Bruchverhalten und die Festigkeiten von keramischen Honigwaben vorherzusagen. Bestätigt wurde der Zusammenhang zwischen zellularer Struktur und mechanischen Eigenschaften anhand von BCZT Honigwaben. An diesen wurden die piezoelektrischen Eigenschaften charakterisiert und der Zusammenhang zur zellularen Struktur hergestellt. Ergänzend wurden FEM Simulationen durchgeführt um Oberflächenspannungen zu ermitteln, die den Einfluss der Struktur auf die piezoelektrischen Eigenschaften weiter erklärten. Desweitern wurde eine Herstellungsmethode entwickelt, in dem über den Replika Prozess, Stereolithographie gedruckte Polymertemplate zu zellularen Aluminiumoxid, Bariumtitanat sowie BCZT Strukturen umgewandelt wurden. An diesen wurden zunächst die mechanischen Eigenschaften charakterisiert und der Einfluss der Stegform der Template, sowie zusätzliche Beschichtungen untersucht. Komplexere Leichtbauwaben wurden mittels dieser Methode hergestellt und die mechanischen und piezoelektrischen Eigenschaften charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass ein Zusammenhang zwischen spezifischer Oberfläche, Depolarisation und piezoelektrischen Koeffizienten vorhanden ist. Allgemein konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass über die Kombination von additiver Fertigung und konventioneller Verfahren komplexe zellulare Strukturen hergestellt werden können. Insbesondere die mechanischen Eigenschaften von Honigwaben und Leichtbauwaben lassen sich mit bekannten und angepassten Modellen genau vorhersagen. Mit dem in dieser Arbeit gewonnenen Verständnis, wie Zellstruktur, mechanische und piezoelektrische Eigenschaften zusammenhängen, können die Eigenschaften gezielt beeinflusst werden. Die Ergebnisse belegen das hohe Potenzial zellularer bleifreier Keramiken durch gezielte Strukturierung, da sowohl hohe mechanische Festigkeiten als auch piezoelektrische Leistungen bei gleichzeitiger Gewichtsreduzierung zu erreichen sind. Dies ermöglichte Leichtbauwaben, die die gleiche piezoelektrische Leistung (FOM33 bis zu 20000 × 10^-15 m^2/N) wie normale Honigwaben aufweisen, aber 27% Gewicht einsparen können. Dies erhöht die Attraktivität komplexer zellularer bleifreier Keramiken für zukünftige Anwendungen enorm. Insbesondere im Bereich der Aktoren und des Energy Harvesting, da nicht nur die piezoelektrischen Koeffizienten, sondern auch die Permittivität und der effektive Elastizitätsmodul den Wirkungsgrad bestimmen, der durch die Erkenntnisse dieser Arbeit durch geeignete Strukturierung beeinflusst werden kann.