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Extrusion-based ceramic additive manufacturing with robocasting: numerical study of printability and particle orientation

Dietemann, Bastien

FG Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung

The emergence of additive manufacturing (AM) techniques enabled a new class of lightweight engineering parts with advanced functionalities. WhileAMis already established in industry for metal and polymer applications, AM of ceramics is still in its infancy. Functional ceramics, however, provide material properties that allow engineering applications in which metal and polymer materials fail. An emerging AM technique consist of various compositions; in this work, a particular paste is applied that consists of prolate platelet-like and sphere-like particles. The paste composition affects the rheology - a crucial printing parameter. A challenge with respect to RC is to consider the complex interaction between paste composition, paste rheology, filfor ceramics is robocasting (RC) – a technology to extrude continuous rod-like filaments to create layer-wise structures from a ceramic paste. This paste canament shape and settling behavior after printing, as well as orientation of the particles within the filament. This thesis addresses this interaction with the help of numerical simulations making use of two meshless Lagrangian particle methods, smoothed particle hydrodynamics (SPH) and discrete element method (DEM). SPH serves as a fluid solver to model the paste behavior and DEM models the dynamics of the suspended particles. There is one limitation in this approach with respect to the high number of suspended particles in the filament as a full consideration all of them easily exceeds the capabilities of today’s computational resources. For this reason, a multi-scale approach is applied: On a particle level, where particles are fully resolved, the influence of the paste composition onto the rheology is studied and the particle orientation after printing is predicted; on a macroscopic scale, where particles are unresolved, the rheology extracted from the microscopic scale is used to model the filament extrusion during printing. Numerical results are compared to experiments and literature where applicable. RC is successfully modeled on both scales. The microscopic simulations revealed the dominance of the platelet particles onto the rheology. The addition of platelet particles allows to make the filaments strong enough to carry multiple layers but the filling fraction should not exceed 30 vol% to allowtechnical printability. Identified as a rather free parameter is the sphere phase that is currently used to provide a filling fraction large enough to prevent filament shrinkage during drying. As the composition of both particle types affect the rheology, its influence onto the settling behavior is studied and summarized within a process map. From this map, the rheology can be extract that is required to tailor the shape of the final part ranging from filigree to dense bulk. The rheology does not only affect the final part geometry, but also the velocity profile in the paste during extrusion. Both affect the material properties; the former obviously, the latter as it affects the particle orientation within the filament. Usually, anisotropic particle orientation states are favored as they allow well-defined material properties. For this purpose, this thesis addresses applicable means to affect the particle orientation. Here, the most important parameter is identified to be the amount of deformation that has been found insufficiently small in the nozzle center to reach anisotropic orientation states. Often, particle orientation is predicted with analytical orientation prediction models.Many of these models exist but none of these is designed to be applied to multicomponent pastes. Here, the model by Folgar and Tucker (FT) is found to reliably predict the orientation within a wide variation of paste compositions. An efficient pathway for process optimization is suggested. First, using the process map as guidance, a paste composition should experimentally be identified that is suitable to yield the desired geometrical shape. This paste should then be characterized with respect to its rheology profile, based on which numerical simulations should be applied to extract the deformation acting on the particles. Then, process optimization can be applied to iteratively design a nozzle geometry that increases the deformation where found insufficiently small. If desired, this process optimization can be done in combination with the FT model to get a visualization of the particle orientation along the specimen.
Robocasting ist ein additiver Fertigungsprozess zur Herstellung keramischer Bauteile mittels Extrusion einer keramischen Paste. Bei diesem Prozess liegt ein komplexer Zusammenhang zwischen Pastenzusammensetzung, Druckergeometrie, Druckbarkeit, Form des Extrudates und den Materialeigenschaften des Extrudates durch Partikelorientierung vor. Dieser Zusammenhang ist noch nicht abschließend untersucht. Er muss aber bekannt sein, um das Robocasting industriell einzusetzen. Diese Dissertation untersucht diesen Zusammenhang mithilfe von numerischen Simulationen. Hierfür werden die Smoothed Particle Hydrodynamics Methode und die Diskrete Elemente Methode zur Beschreibung der Fluidphase und der Partikeldynamik genutzt. Eine häufige numerische Limitierung dieses Ansatzes ist die Menge an suspendierten Partikeln, die eine lange Rechenzeit zur Folge haben. Aus diesem Grund wird ein Multiskalenansatz verwendet, mithilfe dessen die Gefüge- und Bauteilebene individuell betrachtet wird. Auf Gefügeebene werden die Partikel exakt aufgelöst, weshalb ihr Einfluss auf die Rheologie untersucht werden kann. Auf Bauteilebene werden aus Gründen der Rechenzeit die Partikel nicht aufgelöst und stattdessen mithilfe homogener analytischer Rheologiemodelle berücksichtigt. Mit dem Multiskalenansatz konnte das Robocasting erfolgreich numerisch untersucht werden. Die Untersuchungen auf Gefügeebene unterstreichen den Einfluss der Partikelgeometrie auf die Pastenrheologie. Üblicherweise wird nur der Füllgrad als wichtigste Kennzahl zur Pastenbeschreibung verwendet. Jedoch wurde eine Paste mit mehr als 30 Vol% Plättchen als nicht druckbar identifiziert, obwohl typische Pasten einen Füllgrad von 50 Vol% aufweisen. Weiterhin beeinflusst die Pastenrheologie das Absetzverhalten der Paste und damit deren Verwendbarkeit. Aus diesem Grund wurde eine Prozesskarte erstellt, aus welcher die Verwendbarkeit einer Pastenrheologie zur Herstellung gewünschter Filamentformen hervorgeht. Eine weitere wichtige (aber experimentell umständlich zu ermittelnde) Materialeigenschaft ist die Partikelorientierung im gedruckten Strang. Allgemein werden anisotrope Partikelorientierungen in Extrusionsrichtung bevorzugt, da für diese eindeutig definierte Materialeigenschaften vorliegen. Aus diesem Grund werden technisch realisierbare Maßnahmen diskutiert, um eine solche Partikelorientierung zu fördern. Hier zeigt sich, dass insbesondere die Düsengeometrie geeignet ist, die Triebkraft zur Partikelanordnung zu erhöhen. Für eine Prognose der Partikelorientierung werden dabei häufig analytische Vorhersagemodelle verwendet. Bekannte Modelle sind jedoch für homogene Pastenzusammensetzungen erstellt und ihre Anwendbarkeit auf heterogene Zusammensetzungen ist unbekannt. Aus diesem Grund wurden häufig genutzteModelle für Anwendbarkeit auf heterogene Pastenzusammensetzungen untersucht. Hierbei zeigt sich das Model von Folgar Tucker als geeignet für eine zuverlässige Vorhersage in unterschiedlichen Pastenzusammensetzungen. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit wird eine Empfehlung für die Prozessoptimierung gegeben. Zuerst sollte mittels Experiments eine Paste identifiziert werden, die geeignetPartikel berechnet werden kann. Dieses Model sollte dann verwendet werden, um eine optimale Düsengeometrie mit hohem Deformationsanteil zu erstellen. Die Partikelorientierung kann anschließend mithilfe des Folgar Tucker Models vorhergesagt werden.