Innovativer Ansatz revolutioniert Keramikherstellung und vereinfacht Produktion komplexer Zellstrukturen

BerlinForscher an der Ingenieursschule der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) haben einen einfacheren Weg zur Herstellung von Zellkeramik entwickelt. Unter der Leitung von Associate Professor Yang Zhengbao aus der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik überwindet diese neue Methode die Probleme herkömmlicher additiver Fertigung. Die Oberflächenspannungsunterstützte Zweischrittverarbeitung (STATS) könnte Industrien verändern, die keramische Materialien verwenden, darunter Energie, Elektronik und Biomedizin.

Die STATS-Technik umfasst zwei wesentliche Schritte:

• Herstellung von zellbasierten organischen Gittern mittels additiver Fertigung, um grundlegende Strukturen zu formen.
• Füllen dieser Gitter mit einer Vorläuferlösung, die die erforderlichen Bestandteile enthält.

Das Team stand vor einer großen Herausforderung, die Form der Flüssigkeit im Gitter zu kontrollieren. Mithilfe von Oberflächenspannung hielten sie die Flüssigkeit innerhalb der Gitterstruktur in Position. Dadurch erhielten sie präzise Kontrolle über die Form der Flüssigkeit, was zu sehr genauen Fertigungsprozessen führte.

Durch sowohl theoretische als auch experimentelle Studien verbesserten Forscher das Design von zellularen Keramiken. Sie untersuchten sorgfältig die geometrischen Details von Gittern, die aus Einheitselementen und Säulen bestehen, um 3D-Fluidgrenzflächen zu schaffen. Dies führte zur Entwicklung von zellularen Keramiken mit unterschiedlichen Zellgrößen, -formen, -dichten, -strukturen und -materialien. Die Trennung des Prozesses der Herstellung von Zutaten von dem der Strukturbildung machte diese Methode äußerst programmierbar.

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Der neue Prozess bietet zahlreiche Vorteile. Anders als herkömmliche Herstellungsverfahren für Keramik, die Schwierigkeiten haben, Porosität und mechanische Festigkeit auszubalancieren, ermöglicht die STATS-Technik die Schaffung von Strukturen, die insgesamt porös, aber in bestimmten Bereichen stark sind. Diese verbesserte Struktur steigert die Leistung von zellulären Piezokeramiken. Forschern ist es gelungen, eine hohe piezoelektrische Konstante von etwa 200 pC N-1 zu erreichen, während sie eine Gesamtporosität von über 90 % beibehalten haben, was eine bedeutende Verbesserung gegenüber aktuellen Methoden darstellt.

Von den Diatomeen inspiriert, einzelligen Algen, die für ihre komplexen Silikat-Zellwände bekannt sind, ahmt diese Methode die Präzision der Natur bei der Strukturherstellung nach. Die möglichen Anwendungen sind vielfältig und erstrecken sich auf Bereiche wie:

• Filter
• Sensoren
• Aktuatoren
• Robotik
• Batterieelektroden
• Solarzellen
• Bakterizide Geräte

Diese neue Methode passt zu aktuellen Trends in der Materialtechnik, die Oberflächenverarbeitung mit neuen Fertigungstechniken kombinieren. Die STATS-Strategie könnte zur Schaffung neuer Materialstrukturen und intelligenter Systeme beitragen, was Fortschritte in vielen technologischen Bereichen ermöglicht. Prof. Yang betonte, dass diese Methode nicht nur Probleme traditioneller Techniken löst, sondern auch neue Wege aufzeigt, um komplexe Keramikstrukturen zu entwerfen. Zukünftig könnte dieser Ansatz zu fortschrittlicheren und effizienteren Geräten führen.