Die additive Fertigung von Kunststoffen hat sich bereits in vielen Industriezweigen als ernstzunehmende Alternative zu herkömmlichen Produktionsverfahren etabliert. Neben hoher konstruktiver Flexibilität und der Möglichkeit schneller Iterationszyklen für die Produktentwicklung bietet der 3D-Druck ein großes Potenzial für die Integration ganzer Baugruppen. Für Kunden eröffnen sich dadurch Einsparpotenziale bei personalintensiven Montagen durch die Abbildung der Baugruppe innerhalb eines komplexen, additiv gefertigten Einzelbauteiles.

Fused Deposition Modeling (FDM) – auch oftmals als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet – ist eine weit verbreitete 3D-Druck-Technologie, bei der Filamente erhitzt und mittels einer Düse extrudiert werden. Die so aufgeschmolzenen Werkstoffe werden schichtweise auf einer Plattform abgelegt und erzeugen so das gewünschte Bauteil. Da dieses Verfahren bereits vor mehr als 35 Jahren entwickelt wurde und der Prozess an sich technologisch etabliert ist, beschränken sich Neuentwicklungen größtenteils auf die Erweiterung der Werkstoffpalette und Festigkeitssteigerungen der 3D-gedruckten Erzeugnisse.

Herausforderungen des FDM-Druckes von Kunststoffen

Materialien wie CFK und GFK werden bereits erfolgreich serienmäßig im 3D-Druck von Kunststoffen eingesetzt. Ihre hochfesten Eigenschaften erhalten die Materialien durch eingebrachte Kohlenstoff-oder Glasfasern bzw. bei manchen Drucktechnologien durch Endlosfasern aus Kohlenstoff. Die resultierenden Festigkeitssteigerungen wirken allerdings nur innerhalb der einzelnen Schichten (X- und Y-Orientierung). Bedingt durch den Herstellungsprozess des FDM-Druckes sind Festigkeiten in Z-Richtung deutlich geringer. Die neue, aufgeschmolzene Schicht wird auf eine bereits erkaltete, darunterliegende Schicht aufgebracht. Beide Schichten kleben zwar aneinander, verbinden sich jedoch nicht auf atomarer Ebene zu einem monolithischen Körper. Diese Problematik ist im 3D-Druck von PTFE noch verstärkt, da es eine geringe Benetzbarkeit und Haftreibung aufweist. Somit entstehen Sollbruchstellen zwischen den Schichten durch stark anisotrope Festigkeiten im Bauteil, was mögliche Anwendungen einschränkt.

Die Aktivierung von Kunststoffoberflächen mittels Plasma ist eine seit Jahrzehnten erprobte und gut entwickelte Technologie. Im industriellen Maßstab geschieht dies z.B. während der Produktion von Textilien, Vliesen, Membranen und Folien. Eine Plasmabehandlung der polymeren Werkstoffe verbessert sowohl die Benetzbarkeit als auch mechanische und antistatische Eigenschaften der Endprodukte. Bei der Bedruckung von Kunststoffverpackungen sorgt das Plasma dafür, dass farbige Aufdrucke die notwendigen Hafteigenschaften aufweisen. Hierbei werden kovalente Bindungen auf der Oberfläche des Thermoplasts mittels Plasma aufgebrochen und als OH-, NH₂-, oder NH-Gruppen funktionalisiert. Diese funktionellen Gruppen ermöglichen eine Verbindung der gedruckten Schichten auf atomarer Ebene. Dieses Verfahren soll nun auf den FDM-3D-Druck übertragen werden. Neueste Forschungsergebnisse bestätigen, dass eine Plasmabehandlung gedruckter Schichten die gewünschten Vorteile mit sich bringt [1].

Entwicklung einer 3D-gedruckten Plasmadüse zur „in situ“ Plasmabehandlung

In Zusammenarbeit mit einem namhaften, deutschen Institut wurde in den letzten 3 Jahren eine keramische Düse aus hochreinem Aluminiumoxid (Al₂O₃) entwickelt, um die Applikation von Plasma auf verschiedenen Werkstoffen zu testen. Der Grundkörper der Plasmadüse wurde bei Hilgenberg Ceramics mittels keramischem 3D-Druck hergestellt. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Geometrien getestet und so iterativ die Plasmaerzeugung optimiert. Düsen aus Kunststoff wurden ebenfalls getestet, aber verworfen, da deren dielektrische Eigenschaften mit der Zeit verloren gehen. Grund dafür ist die Bildung einer leitenden Graphitschicht durch Plasmaeinwirkung an der Oberfläche des Düsenaustrittes. Al₂O₃ weist durch seine inerten Eigenschaften keine Schichtbildung auf und garantiert daher langfristige dielektrische Eigenschaften.

Die entwickelte Plasmadüse wird parallel zur FDM-Düse angebracht und fährt nach jeder gedruckten Schicht die Oberfläche mit einem Plasmajet ab. Um eine Integration in bestehende FDM-Systeme zu erleichtern, war die Miniaturisierung der Düse eine wichtige Anforderung. Wie im Titelbild zu erkennen, hat die Düse Abmaße von ca. 40 x 20 x 10 mm.

Die Düsengeometrie ist so ausgelegt, dass die Keramik als Dielektrikum fungiert. Die Außenseite der Düse wird mit Kupfer metallisiert und bildet somit die äußere Elektrode. In das Innere der Düse wird eine zweite Elektrode eingesetzt und zwischen den beiden Elektroden entsteht ein elektrisches Feld mit hoher Frequenz und hoher Spannung. Dieses Feld dient dazu das durchströmende Gas zu ionisieren und Plasma zu erzeugen.

Mehrere Düsengeometrien wurden im Rahmen des Projektes getestet. Das dazugehörige Schnittbild zeigt sehr gut, dass der 3D-Druck für die Entwicklung neuer Bauteile absolute Gestaltungsfreiheit ermöglicht. Eine solch komplexe Innenkontur ist nur additiv herstellbar und daher optimal für den keramischen 3D-Druck ausgelegt. Für das beschriebene Produkt läuft momentan eine Patentanmeldung.

Anwendungsfelder der neuen Düsentechnologie

Neben der Aktivierung einzelner Schichten für Haftungszwecke im FDM-Druck kann die Plasmadüse auch – je nach Energiedosis und verwendetem Gas – für weitere Zwecke genutzt werden:

• Reinigung von verschmutzten Oberflächen für die Applikation von Klebstoffen, Lacken und PVD-Schichten
• Sterilisation der Oberfläche, insbesondere für medizinische Anwendungen
• Ätzen und Anrauen fasergefüllter Filamente für anschließende Aktivierung der Oberflächen
• Abscheidung von Schichten für kontrollierte Adhäsionseigenschaften im Recycling

Die keramische Plasmadüse zeigt eine deutlich erhöhte Standzeit und der Einsatz des 3D-Druckes als Herstellungsverfahren ermöglicht die Optimierung und Miniaturisierung der Düsengeometrie. Die entwickelte Düse könnte auch für die Herstellung funktionalisierter Oberflächen in anderen Anwendungsfeldern interessant sein. Hier sind unter anderem die Halbleiterbranche, Sensorik und Aktorik als auch die Herstellung digitaler Displays zu nennen.

Unter www.hilgenberg-ceramics.de/news/ stellen wir Ihnen regelmäßig Anwendungen für den keramischen 3D-Druck vor. Bei Rückfragen können Sie uns jederzeit per E-Mail oder telefonisch erreichen. Fordern Sie uns heraus!

[1] Tait D. McLouth et al. “Enhancement of FDM ULTEM® 9085 bond strength via atmospheric plasma treatment” Journal of Manufacturing Processes 66 (2021) 179–188

Projektidee

MYRRHA ist die Bezeichnung eines innovativen und ehrgeizigen europäischen Projektes zur Entwicklung der nächsten Generation sauberer und sicherer Atomkraftwerke. Mit einem Budget von ca. 1,6 Milliarden Euro soll bis 2036 im belgischen Mol ein neuartiger Kernreaktor entstehen, der drei essenzielle Verbesserungen gegenüber den heutigen Kraftwerken aufweist:

• Durch die sogenannte „Transmutation“ wird die Radioaktivität des Atommülls drastisch reduziert, was die Endlagerung laut Schätzung von ca. 300.000 Jahren um den Faktor 1000 auf nur noch 300 Jahre verkürzt
• Der Reaktorkern ist so konzipiert, dass er im Störfall direkt abschaltet und so ein Super-GAU unmöglich ist
• Neben der wissenschaftlichen Forschung werden im Reaktor zudem lebensnotwendige Radioisotope für die Krebsforschung und Therapie erzeugt

In der momentan laufenden Designphase untersucht das Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Zuverlässigkeit thermohydraulischer Komponenten des Forschungsreaktors in Belgien. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Performance der im Reaktorkern liegenden hexagonalen Brennstabbündel aus Edelstahl, die von einem flüssigen Bismut-Blei-Gemisch als Kühlmittel umströmt werden. Durch Bildung von Bleioxiden oder der Ablagerung anderer Fremdstoffe in der Metallschmelze kann eine sogenannte „Verblockung“ entstehen, die die Kühlung des Reaktors negativ beeinflusst.

In Zusammenarbeit mit dem ITES wurde daher eine keramische „Fluidbremse“ entwickelt, die geometrisch diese mögliche Blockade exakt nachstellen soll. Dies ermöglicht genauere Berechnungen des Strömungs- und Kühlverhaltens mittels „Computational Fluid Dynamics (CFD)“. Die eingesetzte Blockade muss dabei besondere Herausforderungen bezüglich des Temperaturbereiches von 200°C bis 450°C, der Stabilität bei Strömungsgeschwindigkeiten bis zu 2m/s in Flüssigmetall und der genau definierten Geometrie im Millimeterbereich erfüllen.

3D-Nachstellung des Metalloxides aus Keramik

In der Vergangenheit wurden verschiedenste metallische Drahtgitterstrukturen getestet, um die erwähnte Verblockung des Kühlmittelstroms abzubilden. Allerdings konnten diese Testreihen die Vorgaben nur bedingt erfüllen. Daher entschied man sich für eine 3D-gedruckte Keramik aus ZrO₂, um folgende Vorteile nutzen zu können:

• Keramik bietet die nötige thermische und chemische Stabilität für die aggressive Umgebung im Testreaktor
• ZrO₂ weist eine niedrige Wärmeleitfähigkeit (WLF) auf, die der Leitfähigkeit des Metalloxides bestmöglich entspricht und daher die Verlässlichkeit der Simulation erhöht
• Die porösen Strukturen des Metalloxides können im 3D-Druck detailgetreu nachgestellt werden (siehe schematische Darstellung des Bauteils), um so den Strömungswiderstand der Verblockung ideal zu simulieren
• Durch die Flexibilität des 3D-Druckes ist eine Anpassung der Geometrie einfach umsetzbar. Das Durchlaufen mehrerer Iterationen ermöglicht es, die passende Geometrie für eine optimale Performance des Bauteils in der Simulation zu finden

Durch die detailgetreue Nachbildung soll das Strömungsverhalten des eingesetzten Kühlmittels und die thermische Belastung der Heizstäbe im eigentlichen Reaktor genau vorhergesagt werden. Die Vorversuche werden am Karlsruher Institut mittels eines eigens hierfür errichteten „THEADES“-Kreislaufsystems für Blei-Bismut durchgeführt. Zur Veranschaulichung finden Sie eine schematische Darstellung des Kreislaufes als auch der Brennstabbündel inklusive 3D-gedruckter keramischer Blockade am Ende des Artikels. Die durch die Simulation gewonnenen Daten helfen dabei mögliche Fehler bereits in der Designphase des Reaktors zu erkennen, da Anpassungen später nur sehr schwierig und kostenintensiv umsetzbar sind.

Technische Herausforderungen im keramischen 3D-Druck

Um das sich bildende Metalloxid realitätsgetreu nachzustellen, muss das keramische Bauteil einen vergleichbaren Strömungswiderstand erzeugen. Dies wird durch eine hohe Packungsdichte und enge Kanalstrukturen erreicht, welche das durchfließende Blei-Bismut-Gemisch „bremsen“. Wichtig für die späteren Berechnungen ist hierbei eine isotrope Fluidität, d.h. der erzeugte Strömungs-widerstand muss über die gesamte Fläche des Bauteils gleich sein. Treten Unterschiede auf, nimmt das flüssige Metall den Weg des geringsten Widerstandes und die Messungen werden dadurch verfälscht.

Der 3D-Druck kann die gestellten Anforderungen besser abbilden als andere Herstellungsverfahren. Dennoch sind einige Herausforderungen im Prozess zu meistern:

• Die Geometrie muss druckbar und – fast noch wichtiger – reinigbar sein. Das „Postprocessing“ (Reinigen) der Bauteile ist durch die hohe Packungsdichte stark erschwert
• Übliche Strukturen wie Gyroid oder Diamantgitter haben keine isotrope Fluidität, daher musste eine neue geometrische Struktur entwickelt werden, um die Verblockung realistisch abzubilden
• Die Kombination aus hoher Komplexität und dünnen Verbindungsstegen erhöht das Risiko für Fehler im Druckprozess. Um dies zu vermeiden, müssen die Druckparameter individuell an die Geometrie angepasst werden

Ausblick

Die bisherigen Iterationen zeigen, dass die erzeugte Geometrie der 3D-gedruckten Keramik die Blockade durch entstehendes Metalloxid gut nachbildet. Kleinere Anpassungen sollen die Simulation noch weiter optimieren, aber die Ergebnisse deuten schon jetzt darauf hin, dass die 3D-gedruckte Fluidbremse die an sie gestellten Anforderungen erfüllt und damit einen wichtigen Beitrag zur Simulation des Reaktors leisten wird.

Hat der Artikel Ihr Interesse geweckt? Unter https://hilgenberg-ceramics.de/news/ veröffentlichen wir regelmäßig Anwendungsbeispiele, um Ihnen die Möglichkeiten des keramischen 3D-Druckes näher zu bringen. Dort finden Sie auch unsere Kontaktdaten, falls Sie weitere Rückfragen haben.

Nähere Informationen zu den Aktivitäten unserer Partner am KIT finden Sie unter www.ites.kit.edu.

Große Potentiale im 3D-Druck

Der keramische 3D-Druck etabliert sich bereits erfolgreich als eine Technologie der Zukunft. Laut dem Marktforschungsunternehmen SmarTech soll die Branche bis 2030 einen Jahresumsatz von 4,8 Milliarden US-Dollar verzeichnen. Jedes Jahr kommen neue Anwendungsfelder in Bereichen wie z.B. der Verfahrenstechnik, Analytik und Sensorik oder auch der Medizintechnik hinzu. Zahlreiche Vorteile, die der 3D-Druck gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren bietet, geben den Kunden mehr Flexibilität:

• Notwendige Änderungen am Bauteil können schnell und kostengünstig vorgenommen werden, da kein neues Werkzeug nötig ist
• Bauteile aus Metall und Kunststoff, die bisher mit herkömmlichen Verfahren der Keramikherstellung nicht abbildbar waren, können durch 3D-Druck substituiert werden. Der Kunde profitiert von längeren Standzeiten und höherer Produktionsstabilität
• Der 3D-Druck ermöglicht komplexe Einzelbauteile, wo bisher mehrere Komponenten benötigt werden. Damit entfällt die Montage und auch die Beschaffung wird erleichtert

Soweit die Theorie, aber wie sieht das Ganze an einem Praxisbeispiel aus? Im Folgenden wird eine aktuelle Anwendung beleuchtet, in der über 3D-Druck sowohl Standzeiten als auch Kosten optimiert werden konnten.

Praxisbeispiel: Rückschlagventil zur Fluidzerstäubung in der Verfahrenstechnik

In vielen Industrien, wie z.B. der Verfahrenstechnik, Chemie- und Pharmaindustrie oder der Lebensmittelbranche, stellen Transport, Dosierung und Steuerung hochabrasiver Fluide einen Härtetest für die verwendeten Werkstoffe dar.

Normalerweise wird in solchen Fällen Hartmetall (z.B. Wolfram-Carbid-Kobalt, WC-Co) eingesetzt. Einige der geförderten Flüssigkeiten weisen allerdings nicht nur abrasive Partikel auf, sondern korrodieren auch die Binderphase (Kobalt) des Hartmetalls. Dies führt zu einem Bauteilversagen innerhalb weniger Stunden. Daher sind die Fluide zu korrosiv für Hartmetall.

Edelstahl 1.4404 als korrosionsfeste Alternative ist in der Verfahrenstechnik, Analytik und Medizintechnik an vielen Stellen bereits Stand der Technik. Im hier beschriebenen Anwendungsfall eignet sich der Edelstahl entlang gerader Rohrleitungen, da sich hier die Abrasion in Grenzen hält. Doch an Ventilen, Umlenkungen und Düsen ist der Verschleiß zu groß für Edelstahl. Für diese Bauteile wird daher ein äußerst verschleißbeständiger Werkstoff benötigt.

Hier kommt die Keramik ins Spiel. Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Zirkonoxid (ZrO₂) sind sehr beliebt für technische Anwendungen, aber sind beide hier geeignet? Die Korrosionsbeständigkeit besticht bei beiden Materialien, Al₂O₃ weist eine höhere Härte und damit bessere Abrasionsbeständigkeit auf. Außerdem ist ZrO₂ preislich doppelt so teuer in der Herstellung wie Al₂O₃ und es besteht die Gefahr einer langfristigen hydrothermalen Alterung im wässrigen Milieu. Daher ist hochreines Al₂O₃ (99,9%) am besten für die Anwendung geeignet.

Eine Schwierigkeit bleibt allerdings noch: Da die Peripherie oftmals aus Edelstahl besteht, kann der Übergang von der Keramik auf die Standardanschlüsse problematisch sein. Dies ist besonders der Fall, wenn eine hermetisch dichte Verbindung benötigt wird. Hier kann abgeholfen werden, indem das Beste aus beiden Welten kombiniert wird.

3D-gedruckte Metall-Keramik-Verbindung als Lösung

Metall-Keramik-Verbindungen können über verschiedenste Verfahren hergestellt werden. Für die beschriebene Anwendung wurde das Fügen mittels Aktivlöten gewählt, da dieses Verfahren die höchste Langzeitstabilität gewährleistet. Der 3D-Druck ermöglicht zudem die freie Gestaltung der Kontaktstelle und bietet somit jederzeit die Möglichkeit schnelle und kostengünstige Anpassungen vorzunehmen. Andere Herstellungsverfahren benötigen oftmals Werkzeuganpassungen, die deutlich kosten- und zeitintensiver sind.

Das eigentliche Rückschlagventil, das direkt mit den aggressiven Fluiden in Berührung kommt, wird aus hochreinem Aluminiumoxid gefertigt. Die Keramik sorgt durch ihre hohe Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit für eine höhere Lebensdauer. Als Herstellungsverfahren wird der 3D-Druck auf Basis von Stereolithografie verwendet. So können die benötigten Toleranzen eingehalten und das ganze Ventil in einem Arbeitsschritt dargestellt werden – inklusive der innenliegenden Kugel.

Die Anschlüsse an die Keramik sind aus Edelstahl 1.4404 gefertigt und wurden von unserem Partner Lightway GmbH im SLM-Verfahren 3D gedruckt. Gleichzeitig stellen die Edelstahl-Anschlüsse eine hermetisch dichte Verbindung zur Peripherie her, um die abrasiven Fluide ohne Leckage fördern zu können. So wurden die Vorteile beider Werkstoffe optimal genutzt.

Metall und Keramik miteinander zu kombinieren ist eine große technische Herausforderung. Das Hauptproblem ist hier der große Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxid mit 8 ppm/K gegenüber Edelstahl 1.4404 mit 22 ppm/K. Dies führt sowohl bei der Fertigung als auch beim Einsatz unter Temperatureinwirkung zu starken Spannungen an der Kontaktstelle der beiden Werkstoffe und eventuell zum Ausfall des gesamten Bauteiles. Auch hier bietet der 3D-Druck die Lösung. Die Flexibilität des Verfahrens ermöglicht eine individuelle Konzeption der Kontaktstelle. So können durch sehr dünne Wandstärken und eine 3D-gedruckte Struktur an den Kontaktpunkten auftretende Spannungen zwischen Metall und Keramik dynamisch abgebaut werden.

Das so erzeugte Bauteil erfüllt alle Anforderungen des Kunden. Der Anschluss ist hermetisch dicht und die Keramik trotzt dem aggressiven Milieu des Mediums deutlich länger als bisher getestete Produkte. Durch die höheren Standzeiten konnte so die Anzahl der Wartungszyklen minimiert und ein konstanteres Produktionsniveau erreicht werden.

Ausblick

Mit den gesammelten Erfahrungen und dem durchweg positiven Feedback des Kunden planen wir die Technologie der Metall-Keramik-Verbindung auch in anderen Bereichen einzusetzen. Weitere interessante Anwendungen sind beispielsweise der Einsatz in Sputteranlagen für die Vakuumtechnik und als Düsen in der Lebensmittelindustrie.

Die Vakuumtechnik stellt eine besondere Herausforderung an die Qualität der Verbindung, da diese nicht nur hermetisch, sondern vakuumdicht sein muss. Für die Düsen im zweiten Anwendungsfall hat die Keramik durch ihre Lebensmittelechtheit bereits einen klaren Vorteil gegenüber Metallen und Kunststoffen. Der Einsatz von Hartmetall ist durch die Korrosion des Cobalts problematisch. Düsen aus Hochleistungskunststoff bieten zwar kurzfristig gesehen Kostenvorteile, jedoch ist die Lebensdauer sehr kurz und es besteht die Gefahr der Kontamination durch Mikroplastik.

Auf unserer Homepage unter https://hilgenberg-ceramics.de/news/ stellen wir Ihnen regelmäßig Anwendungen vor, die durch den Einsatz von keramischem 3D-Druck optimiert werden konnten. Unser Verfahren bietet auch Ihnen die Performance und Flexibilität, die Sie für Ihren individuellen Anwendungsfall benötigen.

Haben Sie weiterführende Fragen zu unserem Artikel? Oder möchten Sie für Ihre eigene Anwendung die Optionen des keramischen 3D-Druckes erkunden? Sie können uns jederzeit per Email oder telefonisch erreichen. 

Der Ziegel wird zum High-Tech Produkt
Ein moderner Ziegel muss sehr vielen Ansprüchen gerecht werden. Steigende Energiekosten und immer strengere Vorgaben beim Neubau lassen die Anforderungen an die thermische Isolation eines Ziegels stetig steigen. Relevante Eigenschaften sind zudem die Schalldämmung und die mechanische Stabilität. Durch diverse Entwicklungen der letzten Jahre ist der Ziegel schon längst kein einfacher Backstein aus Ton mehr, sondern vielmehr ein High-Tech Produkt geworden. Verständlich, dass so in den letzten Jahren auch die Ansprüche an die Formgenauigkeit immer weiter gestiegen sind. Der ungebrochene Trend zu mehr Schalldämmung zwingt die Hersteller nicht nur feinere Hohlräume und dünnere Stege zu fertigen, sondern auch teilweise durch ein raffiniertes System den Schall zu zerstreuen, ähnlich wie bei einem Schalldämpfer. Dies wird durch eine schallschluckende Wand im Inneren des Ziegels erreicht. Man spricht von einer Funktionalisierung des Ziegels.

Auf das Extrusionswerkzeug kommt es an
Die Ziegel werden mittels Extrusion hergestellt, bei welcher die keramische Masse (Ton) durch ein Mundstück gepresst wird. Das Lochbild des Ziegels wird mithilfe der Platzhalter, der sogenannten Extrusionskerne, erzeugt. Während der Extrusion umströmt der Ton die Extrusionskerne im Mundstück und hinterlässt danach Hohlräume, was schlussendlich das Layout des Ziegels aus Stegen und Hohlräumen ergibt. Das präzise einzustellende Lochbild macht die Auslegung des Mundstücks extrem aufwendig. Denn mit zunehmender Komplexität treten im Mundstück Inhomogenitäten in der Materialströmung, sowie Verwirbelungen und unerwünschte Texturen auf. Um dem entgegenzuwirken muss idealerweise die Geometrie jedes einzelnen Extrusionskerneseinzigartig sein, um an der jeweiligen Stelle einen optimalen Fluss zu garantieren.

Mit Keramik 3D-Druck zum perfekten Extrusionswerkzeug
Für ein Entwicklungsprojekt mit unserem Partner Mein Ziegelhaus, dem Forschungszentrum des Mittelstandsverbundes für Ziegel, konnten wir mit unserem 3D-Druck topologieoptimierte Extrusionkerne aus hochreinem Aluminiumoxid (Al₂O₃) herstellen. Damit konnten wir innerhalb von wenigen Wochen die Entwicklung neuer Ziegellayouts vorantreiben und das zu vergleichsweise geringen Kosten. Unsere 3D-gedruckten Extrusionskerne aus Aluminiumoxid sind so hart und verschleißfest wie Saphir. Dadurch konnten die 3D-gedruckten Extrusionskerne auch deutlich höhere Standzeiten erreichen als es mit konventionellen Stahlkernen möglich gewesen wäre. Unser Entwicklunsgprojekt hat gezeigt, dass man mit dem 3D-gedruckten Extrusionswerkzeug aus Keramik in der Ziegelfertigung schneller, innovativer und auf lange Sicht günstiger aufgestellt ist als mit den konventionellen Werkzeugen aus Stahl.

Keramik 3D-Druck hat noch viel Zukunftspotential
Das Projekt hat uns gezeigt, dass der Einsatz des keramischen 3D-Drucks zur Fertigung individueller Extrusionskerne bestens funktioniert. Mit den neuen Erkenntnissen aus dem Projekt kann die Fertigung von Ziegeln in Zukunft noch weiter optimiert werden. Und dank dem 3D-Druck ist jede Anpassung schnell umsetzbar.

Bedeutung von Keramikbauteilen in der Technik

Keramische Werkstoffe zeichnen sich durch besondere Materialeigenschaften aus. Sie sind in nahezu allen Bereichen von technischen Anwendungen zu finden. Besonders wenn die thermo-mechanischen Anforderungen sehr hoch sind. Darüber hinaus zeichnen die Keramik Eigenschaften wie Bioverträglichkeit und chemische Beständigkeit aus.

Bei Anwendungen mit Temperaturen über 300 °C und der gleichzeitigen Forderung nach elektrisch isolierenden oder nichtmagnetischen Eigenschaften ist Keramik der einzig einsetzbare Werkstoff. Kunststoffe sind zwar elektrische Isolatoren, jedoch können sie der thermischen Belastung nicht standhalten. Metallische Werkstoffe sind in erster Linie Leiter und kommen daher als isolierender Werkstoff nicht in Betracht. Darüber hinaus stoßen sie bei hohen Temperaturen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre schnell an ihre Grenzen, denn sie verlieren massiv an Festigkeit und neigen zur Korrosion. Keramik dagegen bleibt bei Temperaturen weit über 1600 °C chemisch und mechanisch beständig.

Eine Gegenüberstellung von Stahl und Keramikwerkstoffen finden Sie auf unserer Homepage hier.

Konkrete Anwendungsbeispiele für 3D-gedruckte Keramik

Das Verfahren von Hilgenberg-Ceramics GmbH & Co. KG eignet sich nicht nur für Prototyping, sondern auch für kleinere und mittlere Serien. Im Folgenden sind Beispielanwendungen aufgeführt, sowie die für die Anwendung erforderlichen Eigenschaften der Keramik:

• Medizintechnik
  Keramische Eigenschaft: Biokompatibilität, Sterilisierbarkeit
  Beispiel: Endoskopspitzen

• Maschinenbau
  Keramische Eigenschaft: Verschleißfestigkeit
  Beispiel: Handlingsysteme, z. B. Greiferbacken

• Otoplastik
  Keramische Eigenschaft: Bio-Verträglichkeit, Ästhetik
  Beispiel: Hörhilfen oder Gehörschutz

• Elektrotechnik
  Keramische Eigenschaft: elektrischer Isolator, nicht magnetisch
  Beispiel: Spulenträger

• Radiotechnik
  Keramische Eigenschaft: Durchlässigkeit für elektromagnetische Wellen
  Beispiel: Abdeckung für Radiotechnik und Antennen

• Sensortechnik
  Keramische Eigenschaft: chemische und thermische Beständigkeit
  Beispiel: Sensoreinkapselung z. B. Thermoelementschutzrohr

• Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
  Keramische Eigenschaft: Durchlässigkeit für Magnetfelder
  Beispiel: Probenhalter

• Analysetechnik
  Keramische Eigenschaft: Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Tiegel und Proben-Container für thermische Analysen

• Hochtemperatur Heizsystem
  Keramische Eigenschaft: elektr. Isolator, Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Hochtemperaturheizer bis über 1200°C

• Wärmetauscher
  Keramische Eigenschaft: relativ hohe Wärmeleitfähigkeit von Al₂O₃, Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Wärmetauschkörper in der chemischen Synthese im Labormaßstab für aggressive Medien, wie HF und HCl

• Fluidreaktoren, Mischsysteme
  Keramische Eigenschaft: Abriebfestigkeit, chemische Beständigkeit
  Beispiel: Systeme zum Vermischen von abrasiven Medien und chemisch aggressiven Fluiden

• Plasmadüse
  Keramische Eigenschaft: Materialbeständigkeit, elektr. Isolation
  Beispiel: Düsen für Plasmabehandlung

• Dentalindustrie
  Keramische Eigenschaft: Hochtemperaturbeständigkeit
  Beispiel: Brennhilfsmittel wie Sintergestelle für den Sintervorgang der Dentalkeramiken

Technologie

Als Ausgangsstoff wird eine Suspensionsflüssigkeit bestehend aus einem lichtempfindlichen Harz und dem Keramikpulver verwendet. Wie auch bei mittlerweile gängigem Kunststoff 3D-Druck wird eine UV-Lichtquelle in Form von DLP (Digital Light Processing) dazu genutzt, um das Harz punktuell auszuhärten. Schicht für Schicht entsteht so der Grünling, wie er im Fachjargon bezeichnet wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das 3D-gedruckte Bauteil ein Komposit, bei dem die Keramikpartikel in einem durch das UV-Licht ausgehärteten Kunststoff eingebettet sind.

Erst bei der nachfolgenden thermischen Behandlung wird aus dem Komposit ein dichter keramischer Werkstoff. Dazu wird im ersten Schritt der Kunststoff durch langsames Aufheizen vollständig herausgebrannt und das Bauteil anschließend bei über 1600 °C gesintert. Erst danach erhält das Bauteil die finalen Eigenschaften der Hochleistungskeramik.