Untersuchungen zur Herstellung von Mikrostrukturen aus nanoskaligen Pulvern mittels elektrophoretischer Abscheidung

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Herstellung von Mikrostrukturen über elektrophoretische Abscheidung (EPD) untersucht. Die Attraktivität dieses Verfahrens liegt in der Homogenität der Grünlinge sowie in deren hoher Gründichte begründet. Darüber hinaus ist die Wanderungsgeschwindigkeit der Partikel im elektrischen Feld unabhängig von deren Größe, so dass Pulvermischungen verarbeitet werden können. Daher wird beispielsweise keramischer Zahnersatz mit dieser Methode hergestellt. Der nächste Schritt der Weiterentwicklung ist daher die Mikrostrukturierung und die Auslotung der Herstellungsgrenzen. In dieser Arbeit wurden 3 Wege zur Herstellung von Mikrostrukturen untersucht. Die ersten beiden basieren auf der Fabrikation beliebig strukturierter Membranen, die entweder in eine Form gegossen wurden oder aber mit Hilfe eines CO2-Lasers strukturiert wurden. Zusätzlich wurde als 3. Weg die EPD zum Rapid-Prototyping Verfahren weiterentwickelt. Dazu wurde mit Hilfe von Simulationen der elektrischen Feldverteilung eine Elektrodenanordnung entwickelt, die das Aufbringen lokaler Felder ermöglicht. Die Ergebnisse der Simulationen mit dem stark vereinfachten Modell konnten in Experimenten bestätigt werden.

The aim of this work was the fabrication of microstructures by electrophoretic deposition (EPD). Homogeneous porosity as well as high green density are achieved so that this method was established some years ago to fabricate high-strength dental ceramics. Additionally, particle velocity in an electric field is independent from particle size so that powder mixtures can be shaped easily. In order to improve this process and extend it to other applications, the investigation of the deposition of microstructures as well as their limits becomes necessary. The present work deals with three different ways of microstructuring. The first two ones are based on structuring membranes either by casting or by laser ablation. The third one modifies EPD so that a rapid prototyping method is realized. First of all, FEM simulations were performed in order to develop an electrode geometry for applying electric fields locally. The second step was the fabrication of prototype structures that finally confirmed the theoretical predictions. In all cases, optimized suspensions based on nanoscaled OX50 and A380 silica powder were used.