Evaluation of the direct inkjet printing method for the fabrication of three-dimensional ceramic components

Özkol, Emre; Telle, Rainer

doi:32048

Evaluation of the direct inkjet printing method for the fabrication of three-dimensional ceramic components = Evaluierung des direkten Tintenstrahldruckverfahrens zur Herstellung drei-dimensionaler keramischer Bauteile

Özkol, Emre (Author)

2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Emre Özkol

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang179 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Telle, Rainer (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-09-24

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-42917
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/65385/files/4291.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Tintenstrahldruck (Genormte SW) ; Zirkoniumdioxid (Genormte SW) ; Rapid Prototyping <Fertigung> (Genormte SW) ; Biomaterial (Genormte SW) ; Keramikherstellung (Genormte SW) ; Keramik <Technik> (Genormte SW) ; Implantat (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Direct inkjet printing (frei) ; ceramic inks (frei) ; thermal inkjet printing (frei) ; rapid manufacturing (frei) ; dental ceramics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung sowie die Prüfung der Herstellbarkeit von keramischen Komponenten mittels direkten Tintenstrahl-Druckverfahrens (DIP, Direct Inkjet Printing). Zu diesem Zweck wurde zunächst ein auf einem Desktop-Tintenstrahldrucker basierendes DIP-System entwickelt und dieses wurde zur Herstellung keramischer Komponenten aus Zirkonoxid (3Y-TZP) eingesetzt. Anschliessend wurden Tinten mit entsprechenden Feststoffanteilen von > 20 Vol.-% Keramikpartikeln sowie ca. 13.5 Vol.-% Russpartikeln entwickelt und zur Fertigung von zwei- und dreidimensionalen Bauteilen mittels des DIP-Verfahrens benutzt. Diese Tinten wurden bezüglich Viskosität, Oberflächenspannung, Zetapotential, Partikelgrössenverteilung, Dichte sowie der dimensionslosen Kennzahlen Re, We, Ca und Oh charakterisiert. Einflüsse der Tinteneigenschaften auf die Tropfengenerierung sowie auf die Tropfeneigenschaften wurden anhand einer mikroskopischen Analyse gedruckter Einzeltropfen untersucht. Keramische Anschauungsobjekte wurden mittels des DIP-Verfahrens hergestellt und in Bezug auf Formgenauigkeit und mechanische Eigenschaften untersucht. Zur Realisierung komplex geformter Bauteile wurden Abstützstrukturen aus Russ gedruckt, welche während des Sintervorgangs komplett ausgebrannt werden. Die gesinterten Komponenten haben nach der 4-Punkt-Biegeprüfung (4-point bending test, 4PB) sowie dem 4-Kugelversuch (ball-on-3-balls test, B3B) vielversprechende mechanische Eigenschaften aufgewiesen. Als Ergebnis hat sich das DIP-Verfahren zur Herstellung formgenauer keramischen Komponenten mit guten mechanischen Eigenschaften als geeignet erwiesen.

This thesis aims to investigate and show the feasibility of the direct inkjet printing (DIP) method to fabricate ceramic components for structural applications. For this purpose, first a DIP system, which is based on a desktop inkjet printer, is developed and used to manufacture ceramic components made of 3Y-TZP. Second, ceramic inks containing > 20 vol.-% of ceramic particles as well as a carbon ink containing ~13.5 vol.-% of carbon black particles are developed and used for the fabrication of two-dimensional and three-dimensional ceramic objects using the DIP method. These inks are characterised in terms of viscosity, surface tension, zeta potential, density, particle size distribution, and the dimensionless numbers Re, We, Ca, and Oh. The influence of the ink characteristics on the drop ejection dynamics and on the drop properties is investigated by analysing arrays of deposited single drops. Ceramic demonstration objects are DIP-fabricated and investigated in terms of shape accuracy and mechanical properties to show the feasibility of the DIP method for the manufacturing of structural ceramic components. The carbon ink developed is used as a fugitive support, which is removed during sintering, in order to generate components of complex geometrical shape. The components are sintered and promising mechanical characteristics of the ceramic components are obtained by 4-point bending (4PB) and ball-on-3-balls (B3B) tests. As a result, the DIP method was shown to be feasible for the fabrication of ceramic components with good shape accuracy as well as excellent mechanical properties.

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