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BRANCHEN & ANWENDUNGEN

Mit ihren herausragenden Eigenschaften beweisen Keramiken in vielen Industriezweigen täglich ihre Einsatzmöglichkeiten und besonderen Vorzüge. Die Anwendungen reichen von Maschinenbau und Elektrotechnik bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Aber auch in der Medizintechnik werden Hochleistungskeramiken immer häufiger eingesetzt.

Die Ursache für die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten von Erzeugnissen aus Hochleistungskeramiken beruht auf den spezifischen Materialeigenschaften keramischer Werkstoffe. Keramik wird häufig auch als der Werkstoff der Zukunft bezeichnet, da er in vielen Aspekten leistungsstärker und robuster als andere Werkstoffe ist und sich daher deutlich von anderen Materialien abgrenzt.
 

 Technische Keramik zeichnet sich vor allem durch folgende Eigenschaften aus:

  • hohe Temperaturbeständigkeit
  • hohe Korrosionsbeständigkeit
  • hohe Verschleißfestigkeit
  • gute tribologische Eigenschaften
  • geringe Dichte
  • hohe Härte
  • geringe thermische Ausdehnung
  • gute elektrische und thermische Isolationswirkung
  • ausgezeichnete Biokompatibilität

KERAMIKANWENDUNGEN IN INDUSTRIE UND FORSCHUNG

Keramische Materialien werden bei einer Vielzahl verschiedenster technologischer Prozesse eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Werkstoffen treten Hochleistungskeramiken im Alltag jedoch oft weniger offensichtlich in Erscheinung. Sie erfüllen ihren Zweck häufig als hochspezifische Komponenten innerhalb eines Gerätes oder auch als eigenständige Produkte in Umgebungen, wo andere Materialien versagen. Die Anwendungsgebiete reichen von der chemischen Industrie (z.B. Mikroreaktoren), über den Sondermaschinenbau (z.B. Komponenten für Textilmaschinen), Elektronik (z.B. Funktionskeramiken), Medizintechnik (z.B. Implantate), Schmuck (z.B. Uhrengehäuse) bis hin zum Haushalt (z.B. hochwertige Gewürzmühlen).
 



Im Folgenden finden Sie einige Anwendungsbeispiele, die einen kleinen Auszug der Möglichkeiten und Anwendungsgebiete von generativ gefertigten Hochleistungskeramiken aufzeigen.

 

Hochleistungskeramiken für die thermische Analytik

Ausgangssituation:
Hochreine Keramiken werden in der thermischen Analyse von Werkstoffen vorwiegend als Probenhalter bzw. -behältnisse eingesetzt, z.B. Tiegel und Pfannen. Das Verfahren der Thermogravimetrie (TGA) misst den Massenverlust einer Probe mit steigender Temperatur, z.B. hervorgerufen durch das Verdampfen von flüchtigen Bestandteilen.

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Dabei sind eine homogene Temperaturverteilung rund um die Probe und ein stetiger Abtransport von Abgasen erforderlich. Derzeit verfügbare Probenhalter sind aufgrund der konventionellen Fertigungsmethode sehr einfach ausgeführt, meist becherförmig, und erzeugen dadurch am Becherboden Abgaskonzentrationen und Hitzestau. Diese durch den Probenhalter hervorgerufenen Phänomene können letztendlich das Messergebnis beeinflussen.

Projekt LabCer (TU Wien, Lithoz):

  • Evaluierung der LCM Technologie hinsichtlich der Fertigung von keramischen Tiegeln für die Hochtemperatur-Analyse
  • Test der Temperaturstabilität von Lithalox HP500 Alumina
  • Design neuer Tiegel-Geometrien für spezielle Probenwerkstoffe (glasfaserverstärkte Kunststoffe)
  • Signifikante Verbesserung der Temperaturverteilung im Probenraum
  • Homogeneres Abführen von gasförmigen Bestandteilen während der Temperaturbehandlung

Herausforderungen:

  • Miniaturisierung und hochkomplexe Geometrien mit herkömmlichen Fertigungstechniken nur mit größtem Aufwand realisierbar
  • Hochreine und beständige keramische Werkstoffe sind nötig
  • Entsprechende mechanische Eigenschaften bei Hochtemperatur-Anwendungen
  • Hohe Kosten durch Designvariationen in der Versuchsphase

Lösung:

  • Design und Produktion komplexer Tiegel-Geometrien mittels LCM-Verfahrens
  • Material: Lithalox HP500, hochreines Aluminiumoxid

Nutzen:

  • Produktion von hochkomplexen Geometrien mit dem CeraFab 7500 einfach realisierbar
  • Keine Kostensteigerung verglichen zu kommerziell erhältlichen „einfachen“ Tiegel durch werkzeuglose Parallelfertigung
  • Lithalox HP500 als hochreines technisches Aluminiumoxid ist chemisch inert und verfügt über geeignete mechanische Eigenschaften für die benötigten komplexen Tiegel-Geometrien.

 

Fazit von Prof. Jürgen Stampfl, TU Wien, Inst. of Materials Science:

„Mit dem LCM-Verfahren sind wir in der Lage, qualitativ herausragende keramische Bauteile herzustellen, die bei uns routinemäßig als Tiegel für die thermische Analyse zum Einsatz kommen. Zusätzlich zur Erfüllung der qualitativen Anforderungen ermöglicht LCM auch eine deutlich ökonomischere Fertigung im Vergleich zu bisherigen Herstellverfahren.“

Schmuckindustrie

Wiener Souvenir-Sammelarmband aus Hochleistungskeramik

Ausgangssituation:
Den gängigen Wiener Souvenirs fehlt es weitgehend an Raffinesse, zeitgemäßem Designanspruch und Witz. Wien hat mehr zu bieten als Mozart, Sissi und Klimt. Die Stadt benötigt Souvenirs, welche die Vielfalt der Stadt widerspiegeln und den zukunftsweisenden und innovativen Geist der Stadt verdeutlichen.

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Wien-Souvenir Projekt (Universität für angewandte Kunst Wien):

  • Mag. Désirée Heusl entwickelte in ihrem Projekt ein Bettelarmband Sammelkonzept mit kleinen und detailreichen Anhängern.
  • Anhänger stellen  die Besonderheiten der Stadt Wien dar. Egal ob Wahrzeichen, Lieblingskaffee, Kultlokal oder Traditions-Speise, für jedes Wiener Merkmal lässt sich ein keramischer Anhänger sammeln.
  • Am Ende kann man am individuell bestückten Bettelarmband die persönlichen Erlebnisse des Wien-Besuchs ablesen.

Herausforderungen:

  • Material soll innovativen Charakter der Stadt widerspiegeln und außergewöhnlichen Tragekomfort bieten
  • Entwicklung von bruchfesten und sehr detailreichen dreidimensionalen Geometrien
  • Schnelle und kosteneffiziente Realisierung von unterschiedlichen Anhängern
  • Erzeugung eines geschlossenen Materialkonzeptes

Lösung:

  • Herstellung der Anhänger und Kettenglieder mit dem LCM-Verfahren von Lithoz
  • Material: Aluminiumoxid

Nutzen:

  • Rasche und kosteneffiziente Realisierung von unterschiedlichen Geometrien
  • Durch die hervorragenden Materialeigenschaften von Hochleistungskeramik können sehr robuste und haltbare Bauteile mit sehr feinen Details erzeugt werden
  • Erzeugung eines geschlossenen Materialkonzeptes durch Integrierung von Abschnitten 3D-gedruckter Kettenglieder
  • hoher Tragekomfort durch Materialeigenschaften von Hochleistungskeramik (hypoallergen)
  • Material und Prozess symbolisieren den Innovationsreichtum in Wien

 

Fazit von Mag. Désirée Heusl:

„Für mich als Industrial-Design-Studentin ist es immer wieder interessant mit Materialien und Produktionsverfahren zu experimentieren. Besonders spannend sind dabei vor allem die neuen Möglichkeiten der innovativen digitalen Produktionstechnologien. Für mein Projekt war die Zusammenarbeit mit Lithoz eine gute Möglichkeit diese Faszination für moderne Technologien mit einem traditionellen Schmuckstück zu kombinieren.“

Chemische Verfahrenstechnik

Neuartige statische Mischer mit variablem Kanaldesign aus Hochleistungskeramik

Ausgangssituation:
Statische Mischer werden für viele Anwendungen im Bereich der chemischen Verfahrenstechnik benötigt, um zwei oder mehr Komponenten miteinander zu mischen. Für Mikrosysteme liegt der Fokus zudem auf minimalen Diffusionswegen und Gesamtvolumina. Für spezielle Anforderungen bieten keramische Werkstoffe durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit sowie die hohe chemische Beständigkeit herausragende Eigenschaften.

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Herausforderungen:

  • Fertigung der Strukturen mit komplexem inneren Design aus Hochleistungskeramik
  • Implementierung der Zuleitungssysteme zur Verteilung der unterschiedlichen Materialien

Lösung:

  • Um die Diffusionswege für die zu mischenden Materialien nach dem Austritt aus der Struktur zu verringern, wurden verschiedene Designs entwickelt, die auf Waben basieren, in denen die verschiedenen Materialien durch benachbarte Kanäle strömen und somit fein verteilt werden.
  • Durch das Einbringen von Durchbrüchen zwischen den Kanälen und Strömungsleitelementen innerhalb der Kanäle kann die Vermischung schon innerhalb der Struktur erfolgen. Alternativ können auch die Kanalquerschnitte variiert werden.
  • Herstellung der Strukturen mittels LCM-Verfahren von Lithoz und dazugehöriger Aluminiumoxidschlicker.

Nutzen:

  • Realisierung von Hochleistungskeramikbauteilen mit bisher nicht herstellbarer Komplexität
  • Durch die Veränderung des Kanalquerschnittes kann eine Geschwindigkeitsveränderung erzielt werden, die wiederum eine relative Druckveränderung bedingt (Querschnittsverringerung › Geschwindigkeitserhöhung › Druckverringerung).
  • In Kombination mit dem benachbarten Kanal, der im Bereich der Verbindung der Kanäle sein Querschnittsmaximum aufweist, erfolgt infolge des Druckunterschiedes die Vermischung zwischen den Kanälen.

 

Fazit: Dipl.-Ing. Uwe Scheithauer:

Das LCM-Verfahren der Fa. Lithoz ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus Hochleistungskeramiken mit bisher nicht realisierbaren Geometrien. Dadurch wird eine weitere Miniaturisierung und Funktionalisierung von Bauteilen für extreme Anforderungen möglich.“

Medizintechnik

Pneumatische Herz-Katheter-Pumpe aus Hochleistungskeramik

Ausgangssituation:
Derzeit verfügbare implantierbare Herzpumpen haben meist einen elektrischen Antrieb. Die Wärmeentwicklung durch den Motor kann zu einer Schädigung der Blutkörperchen und in Folge zu weiteren organischen Schäden führen.

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Projekt Assistocor (TU Wien, MedUni Wien):

  • Entwicklung einer über eine Mikroturbine mit Heliumgas angetriebene Herzkatheterpumpe
  • Zeitlich begrenzte Pumpunterstützung des Herzens in Krisensituationen (z.B. nach Herzinfarkt)
  • Hermetische Entkopplung von Antriebs- und Pumpenteil
  • Signifikante Erhöhung der Pumpleistung des Herzens
  • Kombination mit intra-aortaler Ballonpumpe zur optimalen Blutversorgung der Koronargefäße

Herausforderungen:

  • Miniaturisierung und hochkomplexe Geometrien mit herkömmlichen Fertigungstechniken nur mit größtem Aufwand realisierbar
  • Notwendigkeit biokompatibler Werkstoffe mit entsprechenden mechanischen Eigenschaften
  • Hohe Kosten durch Designvariationen in der Prototypenphase

Lösung:

  • Produktion komplexer Komponenten der Herzpumpe mit dem LCM-Verfahren von Lithoz
  • Material: Aluminiumoxid

Nutzen:

  • Miniaturisierung und Produktion von hochkomplexen Geometrien mit dem CeraFab 7500 einfach realisierbar
  • Kostengünstige Prototypen durch werkzeuglose Parallelfertigung (bisher mehr als 10 Designvariationen)
  • Aluminiumoxid weist gute Biokompatibilität auf und verfügt über geeignete mechanische Eigenschaften für die benötigten komplexen Miniaturteile.

 

Fazit von Ao. Univ. Prof. Dr. Margit Gföhler:

Das von Lithoz entwickelte 3D-Druckverfahren für Aluminiumoxid hat uns eine kosten- und aufwandseffiziente Prototypenentwicklung für dieses hochkomplexe medizinische Produkt ermöglicht. Aluminiumoxid ist aufgrund der guten Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften als Werkstoff für die Miniaturteile optimal.“

Osteokonduktives und bioresorbierbares Knochenersatzmaterial

Ausgangssituation:
Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit sind keramische Werkstoffe, die sich aufgrund ihrer osteokonduktiven und bioresorbierbaren Materialeigenschaften hervorragend als Knochenersatzmaterial für die Erzeugung von Scaffolds eignen.

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Bei Scaffolds handelt es sich um Implantate definierter Form und Porenstruktur, die in den Körper eingesetzt werden, um große Knochendefekte, die durch Unfälle oder im Zuge von Tumorentfernungen entstanden sind, zu behandeln. Bioresorbierbare Implantate werden dabei im Körper abgebaut und in körpereigenes Knochengewebe umgebaut. Für die Entwicklung neuer Scaffolds braucht es Wissen über die innere Struktur, die das Einwachsen von Knochen optimiert. Dabei spielt vor allem das Porendesign eine zentrale Rolle, um eine bestmögliche Osteokonduktivität zu erzielen.
 

Herausforderungen:

  • Optimieren der Porenstrukturen, damit der Knochen optimal einwachsen kann
  • Herstellung von verschiedenen komplexen Porenstrukturdesigns, die speziell auf die mechanischen Belastungen abgestimmt sind
  • Suche nach effizienten Methoden zur Herstellung von patientenspezifischen Implantaten ab Losgröße 1
  • Freiheit in Materialwahl
 

Lösung:

  • schnelle Herstellung mittels LCM-Verfahren
  • verfügbare Materialien: Tricalciumphosphat und Hydroxylapatit
 

Nutzen:

  • Schnelle und kostengünstige Realisierung von unterschiedlichen Designvarianten, um perfekte osteokonduktive Eigenschaften zu erzielen
  • Schnelle und kostengünstige Herstellung von Testkörpern für In-vivo- und In-vitro-Versuche
  • einfache Realisierung und Erprobung von verschiedensten Designvarianten
  • Besonders gute Realisierbarkeit von kleinen Durchgangskanälen von bis zu 0,4 mm im Durchmesser
  • Realisierbarkeit von Stegdicken kleiner 0,3 mm
  • Einfache Personalisierbarkeit von Implantaten
  • Variation der Einheitszelle

 

Fazit von Professor Franz E. Weber, Universität Zürich, Zentrum für Zahnmedizin: :

„Gerade für die Grundlagenforschung auf dem Gebiet Design von Knochenersatzmaterialien ist das LCM-Verfahren auch für Nicht-Ingenieure eine sehr attraktive Fertigungsmethode. Insbesondere die Kombination von Freiheit in Material- und Designwahl eröffnet völlig neue Möglichkeiten!

Kontakthalter eines tribologischen Sensors

Ausgangssituation:
Für die Herstellung neuartiger tribologischer Sensoren werden komplexe Kontakthalter benötigt. Aufgrund der besonderen Einsatzbedingungen (hohe Temperaturen, elektrische Isolation) ist die Verwendung einer Hochleistungskeramik notwendig.

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Herausforderungen:

  • Um die tribologischen Sensoren möglichst nahe an der Kontaktstelle platzieren zu können, ist eine sehr kompakte Bauweise erforderlich
  • Realisierung von unterschiedlichsten miniaturisierten Funktionselementen in einem Bauteil
  • notwendige Designkomplexität ist aufgrund der minimalen Baugröße kaum mit einer konventionellen Technologie herstellbar

Lösung:

  • Herstellung mittels LCM-Verfahren
  • Verwendetes Material: Aluminiumoxid

Nutzen:

  • Mit Hilfe der LCM-Technologie können sehr schnell und kostengünstig funktionale Prototypen hergestellt werden
  • sehr einfache Realsierung und Erprobung von verschiedensten Designvarianten
  • hohe Zeitersparnis durch werkzeuglose Fertigung
  • Besonders gute Realisierbarkeit von Durchgangskanälen mit 0,4 mm Durchmesser

 

Fazit Oliver Kriese, Senior Manager CIM-Company Robert Bosch GmbH:
„Gerade in einer frühen Produktentwicklungsphase, bei der das Design noch nicht final feststeht, ist das LCM-Verfahren eine sehr attraktive Realisierungsmethode für Prototypen. Insbesondere die Kombination von Funktionsmaterialien und höchster Designkomplexität eröffnet völlig neue Möglichkeiten!“

Bioabbaubare Photopolymere

Neben der Entwicklung von keramischen Materialien beschäftigt sich Lithoz auch mit der Entwicklung und Strukturierung spezieller biodegradierbarer Photopolymere. Konventionelle Photopolymere sind typischerweise aus (Meth-)Acrylaten aufgebaut und sind als Implantatwerkstoff weniger geeignet. Vor allem sind sie nicht bioabbaubar, da sie unter physiologischen Bedingungen unzureichend schnell und/oder zu toxikologisch bedenklichen Produkten abgebaut werden.

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Die von Lithoz entwickelten Materialsysteme zeichnen sich hingegen durch ihre ausgezeichnete Biokompatibilität sowie durch abstimmbare mechanische Eigenschaften und Abbaugeschwindigkeiten aus. Diese neuartigen biodegradierbaren Photopolymere bieten neue Ansätze für den Einsatz als Ersatzstoff für weiche und elastische Gewebetypen wie Blutgefäße oder Haut und ermöglichen die Entwicklung völlig neuer Kompositmaterialien zur Knochen- oder Knorpelregeneration.

Casting Cores

Ein weiteres Anwendungsgebiet der LCM-Technologie ist der Bereich der Herstellung von Gusskernen für Turbinenschaufeln aus Nickelbasislegierungen. Wichtige Anwendungsgebiete von diesen Gusskernen finden sich in der Luftfahrtindustrie und in der Energieerzeugungsindustrie, die in besonderem Maße von der Möglichkeit profitieren, Gusskerne im LCM-Verfahren herzustellen.

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Diese Kerne werden benötigt, um beim Gießen der Turbine die später in der Anwendung benötigten Kühlkanale freizuhalten. Bei dieser Anwendung können nur bestimmte keramische Materialien verwendet werden, da diese die hohen Temperaturen, die beim Abgießen des flüssigen Metalls auftreten, standhalten müssen und danach durch Auslaugungsprozesse wieder entfernt werden müssen.

Die Kühlkanäle dieser Turbinenschaufeln werden immer komplexer und konventionelle Fertigungsmethoden wie Pulverspritzguss stoßen hier an ihre Grenzen. Die LCM-Technologie bietet hier die Möglichkeit, vollkommen neue Designs zu realisieren und eine neue Produktionsmethode zu etablieren.

Da in der keramischen Industrie viele Unternehmen ihre Prozesse auf bestimmte Pulverqualitäten abgestimmt haben, bietet Lithoz die Möglichkeit an, das LCM-Verfahren auf ein spezifisches Pulver anzupassen. Dazu werden im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die notwendigen Adaptierungen des Prozesses und der organischen Binderkomponente durchgeführt, um die Herstellung von hochqualitativen Produkten zu ermöglichen.

Lithoz legt größten Wert auf den verantwortungsvollen Umgang mit vertraulichen Informationen und achtet auf die strenge Einhaltung von Geheimhaltungsklauseln.

Hier die Vorteile im Überblick:

  • schnelle und kostengünstige Produktion durch werkzeuglose Parallelfertigung
  • Realisierbarkeit von hochkomplexen Strukturen wie Hinterschneidungen
  • materialsparendes Verfahren (Hohlbauweise), wodurch die Zeit zum Herauslösen des Kerns verringert wird
  • sehr feine Details wie Stege und Schlitze
  • hervorragende Oberflächenqualität
  • sehr hohe Grünfestigkeit


ADDITIVE MANUFACTURING

ALS TÜRÖFFNER FÜR NEUE ANWENDUNGEN & PRODUKTINNOVATIONEN

Additive Fertigungstechnologien bieten die Möglichkeit, durch funktionsorientiertes Design, radikale Produktinnovationen zu schaffen. Gepaart mit den hervorragenden Materialeigenschaften von Hochleistungskeramik können so für die Industrie und Forschung völlig neue Anwendungsgebiete erschlossen werden. Additive Fertigung kann der Schlüssel dafür sein, keramische Produkte auch in anderen Branchen und Märkten zu etablieren.

Werden Sie zum Innovator Ihres Unternehmens!

Lithoz bietet Produktentwicklern und Konstrukteuren unterschiedliche Workshops sowie Consultingleistungen, um die speziellen Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren kennenzulernen und deren volles Potenzial für Ihr Produkt und Ihre Innovation auszuschöpfen.


Haben wir Ihr Interesse geweckt?


Oder möchten Sie Ihr eigenes Best-Practice Projekt mit Lithoz realisieren?

Dann wenden Sie sich an Frau Monika Homa. Schreiben Sie ihr eine kurze Mail an mhoma@lithoz.com oder kontaktieren sie telefonisch unter der Nummer: +43 1 9346612-208.