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Best Practice

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.
  
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 der Hochtemperatur-Anwendungen
  • Hohe Kosten durch Designvariationen in der Versuchsphase

 

Lösung:

  • Design und Produktion komplexer Tiegel-Geometrien mittels des LCM Verfahren
  • 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."

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.
 
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 Testkörper für in vivo und in vitro Versuche
  • einfache Realisierung und Erprobung von verschiedensten Designvarianten
  • Besonders gute Realisierbarkeit von kleinen Durchgangskanälen von bis zu 0,4mm 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 der Einsatz einer Hochleistungskeramik notwendig.

  

 

Herausforderungen:

  • Um die tribologischen Sensoren möglichst nahe an der Kontaktstelle platzieren zu können, ist eine sehr kompakte Bauweise erforderlich
  • Realsierung 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 0,4mm 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!"

Neuartige statische Mischer mit variablem Kanaldesign

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.

  

Herausforderung:

  • reale 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 à Geschwindigkeitserhöhung à 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.“

 

Produktion von Sensorhalterungen mittels LCM-Technologie

Ausgangssituation

Sensorhalterungen werden in der Messtechnik verwendet und sind dabei häufig extremen Umweltbedingungen ausgesetzt. Neben hoher Hitze- sowie Chemikalienbeständigkeit müssen die Halterungen zudem elektrisch isolierend wirken.

   

Aufgrund dieser spezifischen Anforderungen bietet sich der Werkstoff Keramik durch seine hervorragenden Materialeigenschaften für die Fertigung von Sensorhalterungen an.

  

Neben den spezifischen Materialanforderungen besteht bei dieser Case Study zudem die Notwendigkeit, unterschiedliche Designvarianten (z.B. der Länge) in Bezug auf die Position der Sensorhalterung zu realisieren. Das oben dargestellte Design dient als ein Beispiel für ein über den Pulverspritzguss realisierbares Bauteil, welches nach der Herstellung eines geeigneten Werkzeuges, in sehr hohen Stückzahlen kostengünstig produzierbar ist.

  

Fertigung von Sensorhalterungen mittels Pulverspritzguss

  • kostengünstige Produktion bei einer Stückzahl von 100 000+
  • Herstellungszeit Sensorhalterung: 4 Stück /1Minute
  • Produktion eines mehrteiligen Werkzeugs aufgrund der komplexen Werkstückgeometrie
  • Werkzeugkosten : 25 000 Euro
  • Werkzeugproduktionszeit: ca. 2 Monate

  

Herausforderungen:

  • Sehr hohe Kosten für Kleinserien bis zu mehreren hundert Stück
  • Nachträgliche Designänderungen führen zu hohen Mehrkosten durch die Werkzeugänderungen
  • Lange Werkzeugproduktionszeiten erschweren die rasche Markteinführung von neuen Produkten

  

Lösung:

  • Produktion der Sensorhalterungen mit dem LCM-Verfahren von Lithoz
  • Material: Aluminiumoxid
  • Herstellungszeit: 16 Stück /10 Stunden

  

Nutzen:

  • Kostengünstigere Herstellung von Kleinserien von bis zu 800 Stück
  • Keine Werkzeugkosten, da Bauteile direkt aus CAD-Daten realisiert werden
  • Designänderungen werden direkt am Computer vorgenommen, wodurch eine rasche Markteinführung neuer Produkte vorgenommen werden kann.
  • Die mit der LCM-Technologie gefertigten Sensorhalterungen weisen die gleiche Form sowie die gleichen mechanischen und chemischen Eigenschaften wie konventionell gefertigte Teile auf!

  

Fazit von Dr. Johannes Patzer:

„Die hier angeführte Case Study zeigt, dass das LCM- Verfahren von Lithoz eine sinnvolle und kostensparende Ergänzung zum Pulverspritzguss darstellt. Durch die werkzeuglose Fertigung beim LCM-Verfahren können Kleinserien und Formvariationen kostengünstig und schnell realisiert werden. Die gefertigten Bauteile sind in ihren Eigenschaften ident zu herkömmlich gefertigten Bauteilen.“

 


Wiener Souvenir-Sammelarmband aus Hochleistungskeramik

  

Ausganssituation:

 

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 wiederspiegeln und den zukunftsweisenden und innovativen Geist der Stadt verdeutlichen.

  

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

  • 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 Désirée Heusl:

“Für mich als Industrial Design-Studentin ist es immer wieder interessant mit Materialien und Produktionsverfahren zu experimentieren. Besonders spannend sind dabei vorallem 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.“

   

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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.

  

  

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.“

  

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