The thesis presented here deals with the possibilities and limitations of manufacturing ceramics by three-dimensional printing. Granulates suitable for use with the 3D-printer were produced from alumina and dextrin. Printed green bodies were sintered and infiltrated subsequently with a copper alloy and lanthanum silicate glass, respectively. For the powdered precursor material, an aqueous suspension consisting of alpha- and gamma-alumina as well as dextrin was prepared, which was then freeze-dried and ground. The granulate permits indirect three-dimensional printing of a wide range of shapes. Sintering of the printed green bodies at 1600 °C for 2 hrs led to porous alumina preforms exhibiting a linear sintering shrinkage of 18 %, a porosity of 19 vol.-% and a mean pore size of 42 µm. The correlation of layer thickness and porosity and related mechanical properties were examined. A nearly linear increase of porosity from 20 vol.-% up to 37 vol.-% and therefore a decrease of mechanical strength of the porous preforms from 97 MPa down to 34 MPa was found with increasing layer thickness. An increase in mechanical strength can be achieved by minimizing the layer thickness, however, this makes infiltration more difficult. Further examinations considered the influence of the volume fraction of organic binder and printing liquid in the powder bed on porosity and mechanical strength. Open porosity of the sintered preforms was infiltrated pressurelessly with lanthanum silicate glass at 1100 °C. The heating rate was adjusted to 1000 K/h to prevent crystallization. The alumina-glass composite exhibits a bending strength of 175 MPa, a fracture toughness of 3,6 MPam^1/2, a YOUNG’S Modulus of 227 GPa and a hardness HV5 of 12 GPa. Another approach is based on the good wettability of alumina with oxygen-enriched coppermelts, which allows a pressureless infiltration of the porous preforms. Infiltration was accomplished at 1300 °C for 1,5 hrs in a vacuum. The resulting ceramic-metal composite exhibits a bending strength of 240 MPa, a high fracture toughness of 5,5 MPam^1/2 due to plastic deformation of the copper phase, a YOUNG’S Modulus of >200 GPa and a hardness of 2,5 GPa. The surface quality is a crucial criterion for the application of rapid prototyping processes. Particularly the stair-stepping effect, which is due to the layer-wise assembly, requires improvement by adaptive slicing algorithms. Another issue is represented by the grid-shaped contour of single layers (e.g. at SLS or 3DP), which also lead to a stair-stepping of a tilted or curved edge (within a single layer). Advanced positioning algorithms might provide a solution to this problem.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Möglichkeiten und Grenzen der Herstellung von Keramiken mit Hilfe des dreidimensionalen Druckens. Aus Aluminiumoxid und Dextrin wurden Granulatpulver hergestellt, die mit einem kommerziell verfügbaren 3D-Drucker verarbeitet wurden. Die dabei erhaltenen Grünlinge wurden gesintert und anschließend mit einer Kupferlegierung beziehungsweise einem Lanthansilikatglas infiltriert. Zur Herstellung des pulverförmigen Ausgangsmaterials wurde eine wässrige Suspension aus alpha- und gamma-Aluminiumoxid sowie Dextrin bereitet, die anschließend gefriergetrocknet und granuliert wurde. Das Granulatpulver ist geeignet zur Herstellung verschiedenster Geometrien durch indirektes dreidimensionales Drucken. Die hierbei erhaltenen Grünkörper wurden bei 1600 °C mit einer Haltezeit von 2 h gesintert, so dass poröse Aluminiumoxid-Formkörper erhalten wurden, die eine lineare Sinterschwindung von 18 %, eine Porosität von 19 Vol.-% und einen mittleren Porendurchmesser von 42 µm aufwiesen. Es wurde die Korrelation von Schichtdicke und Porosität und die damit verbundenen mechanischen Eigenschaften untersucht. Ein näherungsweise linearer Anstieg der Porosität von 20 Vol.-% bis 37 Vol.-% und ein damit verbundener Abfall der mechanischen Festigkeit der porösen Formkörper von 97 MPa auf 34 MPa wurde mit zunehmender Schichtdicke ermittelt. Eine Steigerung der Festigkeit ist somit durch Minimierung der Schichtdicke zu erreichen, wodurch im Gegenzug die Infiltrierbarkeit erschwert wird. Weitere Untersuchungen betreffen den Einfluss des Volumenanteils an Bindemittel und Druckflüssigkeit im Pulverbett auf Porosität und Festigkeit. Die offene Porosität der gesinterten Formkörper wurde bei 1100 °C drucklos mit einem Lanthansilikatglas infiltriert. Die Heizrate betrug 1000 K/h, um Kristallisation zu verhindern. Der Aluminiumoxid/Glas-Komposit weist eine Biegefestigkeit von 175 MPa, eine Bruchzähigkeit von 3,6 MPam^1/2, einen E-Modul von 227 GPa und eine Härte HV5 von 12 GPa auf. Ein anderer Ansatz basiert auf der guten Benetzbarkeit von Aluminiumoxid mit sauerstoffangereicherten Kupferschmelzen, wodurch eine drucklose Infiltration der porösen Formkörper ermöglicht wird. Die Infiltration wurde bei 1300 °C 1,5 h unter Vakuum durchgeführt. Das resultierende keramisch-metallische Kompositmaterial weist eine Biegefestigkeit von 240 MPa, eine hohe Bruchzähigkeit aufgrund plastischer Deformation der Kupferphase von 5,5 MPam^1/2, einen E-Modul von >200 GPa und eine Härte von 2,5 GPa auf. Die Oberflächenqualität ist ein entscheidendes Kriterium beim Einsatz von Rapid Prototyping Verfahren. Insbesondere der Stufeneffekt aufgrund des schichtweisen Aufbaus bedarf der Verbesserung, zum Beispiel durch adaptive Slicing-Algorithmen. Ein weiterer Punkt ist die rasterförmige Konturierung der einzelnen Schichten (z.B. bei SLS, 3DP), welche ebenfalls zu einer Stufung einer schrägen oder gekrümmten Kante (innerhalb einer Schicht) führt. Auch hier können verbesserte Positionierungs-Algorithmen Abhilfe schaffen.