Technische Keramik für den 3D-Druck

Additive Fertigung, ein Verfahren, bei dem Material in dünnen Schichten übereinander gelegt wird, ist seit ihren Anfängen vor ein paar Jahrzehnten wegweisend. Kontinuierliche Verbesserungen bei Qualität, Baugröße, Materialauswahl und Anwendungen im Kunststoff- und Metall-3D-Druck haben Markteinführungszeiten und Produktionskosten seit Jahren in Branchen wie zum Beispiel Automobil, Luft- und Raumfahrt, Healthcare, Zahnmedizin, Elektronik und Maschinen dramatisch reduziert. Die Technologie hat sich von der vorrangigen Produktion von Prototypen zur Fertigung realer Bauteile weiterentwickelt; Produkte werden hierbei durch ihr geringeres Gewicht, kürzere Produktionszeiten, geringere Rüstkosten oder die Bereitstellung komplexer Geometrien optimiert. Der Einsatz der Technologie in der technischen Keramik steckt noch in den Kinderschuhen, hat aber infolge der Implementierung durch mehrere innovative Firmen für ein paar vielversprechende Anwendungen eine verstärkte Nachfrage erlebt.

Die additive Fertigung mit technischer Keramik ist ein junges Spezialgebiet, das aus den seit mehreren Jahrzehnten bestehenden reiferen Kunststoff- und Metall-AM-Sektoren hervorgegangen ist. Diese frische Disziplin konzentriert sich auf reale Bauteile für Endanwender, und die Akzeptanz dieser Disziplin unter führenden Herstellern steigt ständig. Sie zeigt auch ein eindrucksvolles Potenzial, wie durch eine jährliche Wachstumsrate von 21,4 % von 2015 bis 2017 belegt werden kann, die BBC Research 2017 ermittelt hat. Laut Expertenprognosen wird der globale Markt für den 3D-Druck mit technischer Keramik von 174 Millionen US-Dollar im Jahr 2017 auf 544 Mio. US-Dollar im Jahr 2022 ansteigen und könnte bis 2027 einen Wert von 3,1 Milliarden US-Dollar haben. Additive Fertigung mit technischer Keramik wird traditionelle Fertigungsmethoden wie zum Beispiel den keramischen Spritzguss (CIM), heißisostatisches Pressen (HIP) und diverse Gussmethoden ergänzen und in einigen Fällen ersetzen, insbesondere bei der Fertigung komplexer Bauteile in kleinen bis mittleren Stückzahlen. Dies bringt enorme Zeit- und Kostenersparnisse, wobei die Leistung des Bauteils erhalten bleibt.

Zusätzlich wird die additive Fertigung mit technischer Keramik ein ganz neues Spektrum an Anwendungen und Einsatzbereichen realisierbar machen, die zuvor nicht möglich waren. Beispiele hierfür sind konturangepasste Kühlkanäle in Formeinsätzen, personalisierte Implantate und andere medizinische Hilfsprodukte sowie die Erstellung komplexer Geometrien, die das Gewicht eines Bauteils reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit optimieren.

Technische Keramik, auch als Ingenieur-, Industrie- oder Hochleistungskeramik bekannt, wird heute aufgrund ihrer Eigenschaften wie zum Beispiel hohe Temperaturbeständigkeit, Robustheit, Festigkeit, chemische Beständigkeit, Abriebfestigkeit und mehr in unterschiedlichsten Industrien eingesetzt. Bei einigen Anwendungen übertrifft Keramik Metallkapazitäten und ist in führenden Industrien zunehmend gefragt.

Bauteile aus technischer Keramik werden unter Einsatz mehrerer traditioneller Methoden, darunter Spritzguss, HIP, Extrusion oder Guss produziert. Alle erfordern Werkzeuge, die teuer sein können, insbesondere wenn bei geringen Stückzahlen die Kosten pro Bauteil berechnet werden. Additive Fertigung hat sich als eine Alternative für traditionelle Fertigungsmethoden bewiesen, da sie den Rüstprozess eliminiert, was zu enormen Zeit- und Kostenersparnissen führt. Da es sich um ein additives Verfahren handelt, ergeben sich außerdem Vorteile in Bezug auf die Konstruktionsfreiheit. Bei einem subtraktiven Fertigungsverfahren kann der Zugang zu inneren Hohlräumen von Bauteilen beschränkt sein, wodurch Werkzeugwege limitiert werden. Bei der additiven Fertigung dagegen sind komplexe Geometrien genauso leicht produzierbar wie einfache Bauteile. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht es außerdem, mehrere Bauteile simultan auf einem Bautray zu bauen. Dies könnte verschiedene Design-Iterationen, verschiedene Größen-Optionen, Bauteile für eine Baugruppe oder ein wiederholtes Kontrollbauteil für Funktionstests umfassen. Alle sind innerhalb von Stunden verfügbar – und alles, was Hersteller benötigen, sind ein additives Fertigungssystem und eine digitale Datei.

Additive Keramikbauteile erzielen physikalische Eigenschaften, die identisch mit traditionell gefertigten Bauteilen sind. Allerdings können geometrische Eigenschaften sich entsprechend der eingesetzten Fertigungstechnologie ändern und müssen eventuell nachbearbeitet werden, was potenziell zu zusätzlicher Zeit und zusätzlichen Kosten für das Verfahren führt. Hierbei liefert die NanoParticle-Jetting-Technologie (NPJ-Technologie) Vorteile dank ihrer Fähigkeit, endkonturnahe Bauteile zu produzieren. Die durch NPJ-Technologie erreichte Präzision produziert Bauteile mit ausgezeichneter Form- und Maßtoleranz, wodurch in den Grünphasen eine geringere Nachbearbeitung erforderlich ist, was Kosten und Zeitskalen noch weiter reduziert.

Diese neue Technologie, die anders als andere additive Fertigungsverfahren wie etwa Stereolithografie, DLP und Binder Jetting ist, liefert hochwertige Keramikbauteile mit glatten Oberflächen, sehr feinen Details, hoher Dichte und ausgezeichneter Maßtoleranz. Erreicht wird dies durch die Dispersion von Keramikpartikeln in Nanogröße, die in einer Flüssigrezeptur suspendiert sind und aus Tintenstrahldüsen gespritzt werden, wodurch sehr dünne Schichten aufgebaut werden. Die verschiedenen Formen und Größen dieser Nanopartikel ermöglichen eine natürliche Ablagerung und eine hohe Dichte, was zu festen, robusten und harten Keramikbauteilen führt. Die in geschlossenen Patronen enthaltene Dispersion aus Flüssigkeramik ermöglicht eine sichere und einfache Handhabung des Materials.

Das Potenzial für additive Fertigung mit technischer Keramik ist ganz klar enorm. Die Bereitschaft der Technologie, die Größe des potenziellen Marktes, die unterschiedlichen Anwendungen, die Vorteile für Anwender – sie alle weisen auf einer Transformation in der Industrie hin. Die Healthcare-, Energie- und Automobilbranche, die bereits mit additiver Fertigung auf Kunststoff- und Metallbasis arbeiten, begeben sich jetzt auf eine spannende Reise in die technische Keramik. Es wird erwartet, dass die Technologie vollständige Akzeptanz als eine gültige, benötigte und sogar bevorzugte Fertigungsmethode erlangen wird. Hinsichtlich ihres Potenzials scheint die additive Fertigung mit Keramik eine glänzende Zukunft zu haben. jl