Forschung & Entwicklung

Die Kombination von Glaskeramik und Silber in einem einzigen Teil mittels Multimaterial-3D-Druck stößt an die Grenzen dessen, was LTCC-Module (Low-Temperature Co-fired Ceramic) leisten können. Die additive Fertigung ermöglicht hochgradig kundenspezifische Geometrien und eine präzise Platzierung von Leiterbahnen direkt in dielektrischen Keramikstrukturen, was mit herkömmlichen Methoden nicht möglich ist.

Die LTCC-Technologie ist in der modernen Elektronik unverzichtbar und bietet kompakte, stabile und zuverlässige Lösungen. Sie wird häufig in der Telekommunikation, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, um passive Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten in keramische Mehrschichtmodule einzubetten. LTCC ist besonders wichtig für RF-Systeme, einschließlich 5G, Satellitenkommunikation und Radar.

In der Automobil- und Luftfahrtindustrie unterstützen 3D-gedruckte LTCC-Silber-Komponenten hochzuverlässige Systeme wie Radar, GPS und V2X-Kommunikation. Die Verschmelzung von LTCC mit 3D-gedrucktem Silber eröffnet neue Möglichkeiten für leichtere, kleinere und effizientere Hochfrequenzelektronik.

Poröse Keramiken, insbesondere poröses Aluminiumoxid, zeichnen sich durch Kosteneffizienz, hohe Rohstoffverfügbarkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe thermische Belastbarkeit sowie exzellente chemische Beständigkeit aus. Diese Eigenschaften prädestinieren den Werkstoff für Anwendungen wie leichte Strukturbauteile, Katalysatorträger, Filtrationsmembranen und Hochleistungs-Wärmedämmsysteme.

Durch Multimaterial-Designs mit gezielt variierter Porosität innerhalb eines einzelnen Bauteils lässt sich die lokale Materialstruktur exakt steuern.

Auf diese Weise kann die mechanische Festigkeit dort erhöht werden, wo besondere Belastbarkeit gefordert ist. Gleichzeitig führt die Integration multifunktionaler Architekturen zu verbesserter Temperaturwechselbeständigkeit – ein klarer Vorteil für den Einsatz poröser Aluminiumoxidkeramiken in anspruchsvollen Umgebungen.

Die Kombination von Metall-Keramik-Strukturen - in diesem Fall reines Kupfer und Glaskeramik auf Alumina-Basis - eröffnet gänzlich neue Möglichkeiten für 3D-gedruckte Leiterplatten, Elektronik- und Telekommunikationskomponenten, die dreidimensionale Realisierung von Leiterbahnen und piezoelektrischen Stacks oder medizinische Instrumente.
Der Einsatz des Lithoz CeraFab Multi 2M30 in solchen Anwendungen öffnet die Tür zur Herstellung viel komplexerer Strukturen, mit großem Potenzial für die Serienproduktion bei gleichzeitiger Minimierung der Herstellungskosten und Verkürzung des gesamten Prozesses.

Lithoz America hat mit MITRE und MSI Transducers Corp. zusammengearbeitet, um die Entwicklung und Herstellung von akustischen Unterwasserwandlern voranzutreiben und den Bedarf an verbesserten Unterwasserkommunikations- und Überwachungssystemen zu decken. Herkömmliche Methoden begrenzen die geometrische Komplexität und die Leistung piezoelektrischer Wandler, die für das Senden und Empfangen von Signalen in Meeresumgebungen unerlässlich sind.

Mit Hilfe der additiven Fertigung von Keramik entwickelte das Team Wandler mit neuartigen Geometrien, die eine höhere Empfindlichkeit, Richtwirkung und Effizienz ermöglichen. Diese Methode ermöglicht auch die Herstellung von anpassbaren Komponenten für kompakte autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) und überwindet die Größen- und Leistungsbeschränkungen herkömmlicher Wandler.

Zu den wichtigsten Durchbrüchen gehörte der Nachweis, dass 3D-gedruckte Materialien die Leistung herkömmlicher Materialien erreichen oder übertreffen und die Machbarkeit komplexer, leistungssteigernder Designs demonstrieren. Die Innovation unterstreicht das Potenzial des keramischen 3D-Drucks zur Bewältigung von Herausforderungen in Unterwasser- und anderen Hochleistungsumgebungen, mit Anwendungen in den Bereichen Militär, Umweltüberwachung und ozeanographische Forschung.

3D-gedruckter Aluminiumnitrid-Wärmetauscher: Nachhaltige zukunftsorientierte Gestaltung der Luftfahrt. Ein Beweis für die Worte unseres CTO, Johannes Benedikt, aus dem Sommer 2023: „Alle Antworten auf die drängenden Fragen von heute, von der Nachhaltigkeit bis zum Klimawandel, werden irgendwie ein 3D-gedrucktes Keramikteil als Teil der Lösung enthalten“.

Im Rahmen des zukunftsweisenden Projektes TRIATHLON zur Versorgung von Flugzeugen mit Wasserstoff (derzeit auf niedrigem technologischen Niveau) steuern wir eine Schlüsselinnovation bei: einen keramischen 3D-gedruckten Wärmetauscher aus Aluminiumnitrid. Der Hauptvorteil von AlN ist die hohe Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmeausdehnung und gute Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung.

Dieses Bauteil sorgt dafür, dass der flüssige Wasserstoff unter Nutzung der überschüssigen Wärme effizient vorgewärmt wird, bevor er in die Brennstoffzelle gelangt, was die Gesamtleistung des Systems verbessert. Die Geometrie wurde von Niccolò Casini von Ergon Research entworfen, der auch CFD-Simulationen durchführte, um die Wärmeverteilung, das Strömungsverhalten und den Druckabfall zu bewerten, um vor der Fertigung das richtige Design zu entwickeln.

Nach intensiver Entwicklungsarbeit mit dem deutschen Glashersteller Glassomer hat Lithoz das neue Material LithaGlass vorgestellt.

Als Schlicker auf Quarzglas-Basis stellt LithaGlass in der Tat eine bahnbrechende Errungenschaft dar, welche die Designfreiheit der additiven Fertigung mit den begehrenswerten Eigenschaften hochleistungsfähigen Quarzglases verbindet. Dazu gehören etwa mechanische Stabilität, hohe thermische und chemische Standfestigkeit sowie geringe thermische Ausdehnung und damit hohe Temperaturwechselbeständigkeit.

Der Schlüssel für ein nachhaltiges Leben auf dem Mond ist die Möglichkeit, die erforderlichen Strukturen und Ersatzteile vor Ort und auf Abruf herzustellen. Dadurch werden Kosten-, Volumen- und Massebeschränkungen vermieden, die einen erfolgreichen Start mit allem, was für Langzeitmissionen auf dem Mond benötigt wird, verhindern würden.

Die keramische Stereolithografie ist eine revolutionäre Fertigungstechnologie, um den Bedarf an Teilen mit hochkomplexen Geometrien und hoher Genauigkeit zu decken. In Anbetracht der hohen Auflösung und der relativen Dichte der Proben wird die Möglichkeit der Herstellung hochpräziser, kleiner und komplizierter poröser Regolithteile wie Katalysatoren, Filter usw. einen bedeutenden Durchbruch bei der Ermöglichung der Erforschung des Weltraums durch Menschen über lange Zeiträume darstellen.

Turboladerrotoren aus Siliciumnitrid werden verwendet, um das Ansprechverhalten eines Motors zu verbessern. Die Verwendung von Keramikrotoren anstelle von Metall verringert die Trägheit und reduziert somit die Verzögerung. Darüber hinaus sind diese Rotoren sehr heißem Gas ausgesetzt und müssen auch unter diesen Bedingungen langlebig sein. Bisher waren komplizierte Bauteile aus Siliciumnitrid aufgrund der Einschränkungen der konventionellen Bearbeitungsverfahren nicht herstellbar. Die CeraFab 3D Drucker ermöglichen durch die LCM-Technologie die Herstellung von komplex geformten Rotoren, um die Leistung von Mikrogasturbinen zu steigern.

Sehen Sie sich ein Video über die Temperaturwechselbeständigkeitsprüfung für eine 3D-gedrucktes Bauteil aus Siliciumnitrid an. 

Das LCM 3D-Druck Verfahren für Keramik ermöglicht die Herstellung von Anwendungen mit feinsten Details und hochkomplexen inneren Strukturen bei gleichzeitig exzellenter Oberflächenqualität. Einige Beispiele sind Mikrodüsen und Ventile mit strömungsoptimierten Bahnen, Miniaturrotoren und Mikrofräswerkzeuge, elektronische Anwendungen wie komplexe und präzise Substrate sowie medizinische Sensoren, Instrumente und chirurgische Werkzeuge.

Die industrielle Serienfertigung komplexer Keramikbauteile mit Mikrostrukuturen erfordert eine Technologie, die jeden Anspruch an hohe Wiederholgenauigkeit erfüllt. Wo konventionelle Methoden wie Fräsen, Bohren, Schleifen und Keramikspritzguss deutlich an ihre Grenzen stoßen, bieten die CeraFab Drucker die skalierbare Serienfertigung von Teilen mit Merkmalen bis zu 100 µm.

Die Lithoz LCM-Technologie ist die perfekte Alternative für die Konstruktion innovativer Turbinen, die aufgrund immer extremerer Emissionsvorgaben eine stark verbesserte Kühlung verlangen, wodurch der Verbrauch nachhaltig gesenkt werden kann.

Neben der drastisch reduzierten Entwicklungszeit und somit einer deutlich schnellere Markteinführung lassen sich vor allem immer kürzere Entwicklungszyklen realisieren, da der 3D Druck komplex designter Keramikkerne ganz ohne teure Formen und langwieriger Umstellungen auskommt. Diese Effizienz macht LCM zur perfekten Wahl, wenn es um die Herstellung  innoativer Gusskerne für Luft- und Raumfahrtindustrie geht.

Forschern der Montanuniversität Leoben ist es in direkter Zusammenarbeit mit Lithoz-Ingenieuren erstmals gelungen, die höchste Festigkeit von 1GPa in 3D-gedrucktem Alumina zu erreichen.

Da die Teile im Lithoz CeraFab Multi 2M30 mit verschiedenen Materialien 3D-gedruckt wurden (Multi-Material-Ansatz), konnten die Forscher die Materialplatzierung soweit digital steuern, dass diese Materialien während des Sinterns noch dichter wurden als Alumina allein (monolithisches Aluminiumoxid, 650 MPa). Sie konnten den schichtweisen Druckprozess nutzen, um die Eigenspannungen zu kontrollieren und so eine Art Alumina mit der höchsten Festigkeit zu schaffen.