Neue Entwicklung: 3D aus Keramik

Die Auswahl an nutzbaren Druckmaterialien ist stetig am Wachsen. Es gibt heute nur noch wenige, die nicht für den 3D Druck verwendet werden können. Mit einem neuen 3D Pulverdruck Verfahren können Wissenschaftler nun erstmals auch feine Keramikstrukturen erzeugen, ganz ohne Poren oder scharfe Kanten.
Für die additive Verarbeitung von Keramiken standen bisher nur wenige Verfahren zur Verfügung. Ganz im Gegensatz zur Verwendung von Metallen oder Kunststoffen, die inzwischen eher zum Standard gehören. Die Ursache hierfür ist in den Eigenschaften der Keramik zu suchen. Sie benötigt für den Druckprozess sehr hohe Temperaturen. Zudem können Keramiken nicht einfach wie Metalle oder Polymere verformt oder gar wie Harze vernetzt werden. An das Verfahren zum Druck von Keramiken sind also deutlich anspruchsvollere Anforderungen geknüpft.
Aus dem Grund setzen die Forscher an der Bundesanstalt für Materialforschung (kurz BAM) auch auf den 3D Pulverdruck mit präkeramischen Polymeren. Die speziellen Polymere können in Keramik umgewandelt werden und sind daher für den 3D Druck nutzbar, da sie sowohl plastisch verformt, wie auch vernetzt oder geschmolzen werden können. Das ermöglicht es, die Probleme in der Formgebung bei Keramik zu umgehen.

„Form Ceram“ von der Steinbach AG

Bereits auf der Rapid.Tech in Erfurt im Mai 2016 hat die Steinbach AG mit „Form Ceram“ eine neue Lösung für die Fertigung keramischer 3D Drucke vorgestellt. Gerade bei sehr kleinen Bauteilen ist Keramik ein gutes Material, das sehr feine Strukturen erlaubt. Bisher waren hier nur Metalle nutzbar, die aber in der Branche oft unwirtschaftlich für die Anwendung oder technisch einfach nicht möglich waren.
Mit „Form Ceram“ entwickelte man daher eine wirtschaftliche und vor allem umsetzbare Alternative und das neue Verfahren des Lithography-based Ceramic Manufacturing bietet noch weitere Vorteile:

  • Die Fertigung von Einzelteilen ist schnell und preisgünstig möglich. So wird die Produktionszeit verkürzt und die Fertigung von Einzelteilen sogar rentabel.
  • Die Produktion von Prototypen war in der Vergangenheit oft schwierig und kostenintensiv. Mit dem neuen Verfahren können sie leichter und zudem in Serienqualität hergestellt werden.
  • Die Produktion von kleinen Serien war im Verhältnis oft sehr teuer und der Verkaufspreis dadurch sehr hoch. Mit dem LCM-Verfahren der Steinbach AG sinken die Produktionskosten deutlich, was sich auch vorteilhaft auf die Verkaufspreise der Kleinserien auswirkt.
  • Das Design wird mit dem Verfahren nicht mehr so sehr von den Möglichkeiten im Herstellungsprozess definiert, sondern durch die geplante Anwendung. Es ist einfach mehr umsetzbar als zuvor und das Design so insgesamt individueller erstellbar.

3D Druck-Verfahren der HRL Laboratories

Auch in den USA machte man sich Gedanken zur Druckbarkeit mit Keramik. Hier wurde ein Stereolithographie 3D Drucker verwendet, bei dem „vorkeramische Monomere“ zunächst gehärtet und anschließend gebrannt werden. Dadurch entstehen aus ihnen Gebilde aus Keramik. Das Verfahren wurde bereits vor dem LCM entwickelt und zeigte bereits den Vorteil, dass die so gefertigten Produkte so gut wie keine Porosität mehr aufweisen. Zudem sind sie äußerst widerstandsfähig und können Temperaturen bis 1700°C ohne Probleme aushalten.
Anders als bei vielen anderen Verfahren bildet hier kein Pulver die Grundlage des Druckverfahrens. Die Steinbach AG setzt in ihrem LCM-Verfahren beispielsweise auf eine Keramikpulver-Monomer-Suspension. Nach Ansicht der amerikanischen Forscher verursacht aber gerade die Nutzung von Pulver die vergleichsweise hohe Porosität im Ergebnis. Die Wissenschaftler nutzen daher Siliciumoxykarbid, eine chemische Verbindung aus Kunststoff und Silicium. Das ist nicht nur gut zu verarbeiten, sondern bewirkt auch gleich eine höhere Resistenz gegen Korrosion und Abrieb. Durch die hohe Härte der Druckergebnisse ist das Verfahren für Branchen, in denen die Ansprüche an die Materialeigenschaften sehr hoch sind, ideal. So könnte es beispielsweise in der Produktion von Triebwerken Anwendung finden, in der Zahnmedizin, als Hitzeschutz oder in zahlreichen weiteren Gebieten.