Der keramische 3D-Druck (auch als additive Fertigung mit Keramik bezeichnet) revolutioniert die Herstellung von Hochleistungskeramikkomponenten für Branchen, in denen Präzision, Haltbarkeit und komplexe Geometrien von entscheidender Bedeutung sind. Durch den Einsatz fortschrittlicher Verfahren wie Fotopolymerisation, Binder Jetting und Materialextrusion, die speziell für Keramik angepasst sind, können Hersteller komplexe Teile mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Materialleistung herstellen.
Die Anwendungsbereiche reichen von Luft- und Raumfahrt über Dental- und Medizin-Keramik bis hin zu Elektronik und Energie – und ermöglichen die Herstellung von hitzebeständigen Keramikteilen, biokeramischen Implantaten, elektrischen Isolatoren und Keramikkomponenten für Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs). Mit der Verbesserung der Prozesseffizienz und der Senkung der Kosten werden Keramik-3D-Drucktechnologien sowohl für die Prototypenentwicklung als auch für die Serienfertigung immer rentabler.
Vorteile des keramischen 3D-Drucks
Vat-Photopolymerisation ist ein Oberbegriff für Verfahren, bei denen Objekte Schicht für Schicht aus einer mit Keramik gefüllten Photopolymersuspension aufgebaut werden, die durch Licht ausgehärtet wird. Bei der additiven Fertigung mit Keramik härtet UV-Licht oder eine andere spezifische Wellenlänge die Suspension selektiv entweder von oben (Top-Down) oder von unten (Bottom-Up) aus.
Diese Technologie erzeugt hochdetaillierte Keramikteile mit glatten Oberflächen und Dichten, die denen konventionell hergestellter Keramiken nahekommen. Nachbearbeitungsschritte wie Entbindern und Sintern sind unerlässlich.
Die lithografiebasierte Keramikfertigung (LCM), wie sie von Lithoz entwickelt wurde, ist ein spezieller VPP-Ansatz, der Maßstäbe für den Präzisionskeramikdruck gesetzt hat.
SLA ist ein Photopolymerisationsverfahren, bei dem ein Laser verwendet wird, um eine hochkeramische Flüssigharzschicht Schicht für Schicht zu härten. Dieses Verfahren liefert eine außergewöhnliche Genauigkeit und feine Oberflächenqualität und eignet sich daher ideal für Anwendungen, die präzise technische Keramikteile erfordern.
Bei der keramischen Stereolithograpfie scannt der Laser jede Schicht der Aufschlämmung und härtet selektiv das Bindemittel aus, um das Grünteil zu formen. Nach dem Druck wird das Teil gereinigt, entbindert und bei hoher Temperatur gesintert, um die endgültige Dichte und Festigkeit zu erreichen.
Digital Light Processing (DLP) ist ein weiterer Unterbereich der Photopolymerisation. Anstatt wie bei SLA jede Schicht mit einem Laser nachzuzeichnen, verwendet DLP einen digitalen Lichtprojektor, der mit einem Mikrospiegelarray ausgestattet ist, das Millionen von einzeln steuerbaren Spiegeln enthält, um den gesamten Querschnitt einer Schicht auf einmal zu projizieren. Dieser Ansatz ermöglicht schnellere Aufbaugeschwindigkeiten für größere Querschnitte, wobei die Auflösung jedoch von der Pixelgröße des Projektors bestimmt wird.
Beim keramischen 3D-Druck folgt DLP dem gleichen Prinzip, verwendet jedoch ein flüssiges Photopolymerharz mit einem hohen Anteil an Keramikpartikeln. Jedes projizierte Bild härtet eine gesamte Schicht der Aufschlämmung in einer einzigen Belichtung aus, woraufhin eine neue Schicht über den Bauraum verteilt wird. Schicht für Schicht wird die Geometrie mit hoher Präzision geformt, bis das fertige Rohteil entsteht.
Materialstrahlverfahren ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Objekte Schicht für Schicht aufgebaut werden, indem flüssige Materialtröpfchen auf eine Bauplattform aufgetragen werden. Dies unterscheidet sich vom VPP-Verfahren, bei dem die gesamte Plattform mit einer Schicht aus Harz bedeckt wird. Diese Technologie ist bekannt für ihre Möglichkeiten zur Verwendung mehrerer Materialien oder Farben und ist mit einer Vielzahl von Keramikpulvern kompatibel.
Der Prozess beginnt mit Druckköpfen, die winzige Materialtröpfchen auf eine Bauplattform spritzen. Die Tröpfchen werden präzise entsprechend dem Entwurf des 3D-Modells aufgetragen. Nach dem Auftragen wird jede Schicht aus Tröpfchen sofort ausgehärtet, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird. Stützstrukturen werden oft gleichzeitig aus einem separaten, leicht entfernbaren Material erstellt. Die Möglichkeit, verschiedene Materialien in einem einzigen Druckvorgang zu kombinieren, macht dieses Verfahren besonders wertvoll für funktionale Prototypen und komplexe Baugruppen. Allerdings kann der Prozess langsamer sein als andere 3D-Drucktechniken.
Binder Jetting ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Objekte Schicht für Schicht aufgebaut werden, indem ein flüssiges Bindemittel selektiv auf ein Pulverbett aufgetragen wird. Das Bindemittel hält die Pulverpartikel zusammen und bildet so eine feste Struktur. Dieses Verfahren ist dafür bekannt, dass es Teile schnell und mit einer Vielzahl von Materialien herstellen kann. Um ein fließfähiges Pulver zu gewährleisten, das sich auf dem Druckbett verteilen lässt, muss ein relativ grobes Pulver verwendet werden. Dies führt zu einer offenen Porosität, die ideal für SiSiC ist, das im Sinterprozess infiltriert werden muss.
Der Prozess beginnt mit einer dünnen Pulverschicht, die gleichmäßig auf der Bauplattform verteilt wird. Ein Druckkopf bewegt sich über das Pulverbett und trägt flüssiges Bindemittel in einem gewünschten Muster auf, das auf einem 3D-Modell basiert. Anschließend wird eine neue Pulverschicht aufgetragen, und der Prozess wiederholt sich, bis das gesamte Objekt geformt ist. Nach dem Drucken wird das Teil aus dem Pulverbett entnommen. Je nach Material kann eine zusätzliche Nachbearbeitung wie Sintern, Infiltrieren oder Aushärten erforderlich sein, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
Die Materialextrusion in der Keramik ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Objekte Schicht für Schicht aufgebaut werden, indem ein mit Keramik angereichertes Ausgangsmaterial durch eine Düse auf eine Bauplattform aufgetragen wird. Das Ausgangsmaterial besteht in der Regel aus einem Keramikpulver, das mit einem Bindemittel oder einer wässrigen Keramikpaste kombiniert wird, wodurch es die für eine präzise Extrusion erforderlichen Fließeigenschaften erhält.
Während des Druckvorgangs wird das Ausgangsmaterial durch die Düse gedrückt und in einem kontrollierten Muster aufgetragen, wodurch jede Schicht des „grünen“ Keramikteils gebildet wird. Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, wird die nächste Schicht darauf extrudiert, bis die gesamte Geometrie gebildet ist. Bei Bedarf werden Stützstrukturen aus dem gleichen oder einem kompatiblen Keramikmaterial hergestellt, um überhängende Teile zu stabilisieren.
Eine Variante dieses Verfahrens ist das Laser-Induced Slipcasting (LIS), bei dem ein Laser dünne Schichten aus Keramikschlicker ohne mechanische Extrusion selektiv verfestigt. Dieser Ansatz kann im Vergleich zur herkömmlichen Keramikpastenextrusion eine verbesserte Konturenschärfe bieten.
Die Materialextrusion bietet Vorteile wie einfache Bedienung, geringen Materialabfall und Kompatibilität mit einer Vielzahl von technischen Keramiken. Zu den Einschränkungen gehören jedoch rauere Oberflächen, eine geringere Auflösung im Vergleich zu photopolymerbasierten Verfahren und Schwierigkeiten bei der Herstellung sehr feiner Details, die oft eine manuelle Entfernung der Stützstrukturen vor dem Entbinden und Sintern erfordern.
Die Wahl der richtigen Technologie
Die Wahl zwischen VPP, SLA, DLP, Binder Jetting, Material Jetting oder Extrusion hängt ab von:
• Erforderliche Präzision
• Oberflächenbeschaffenheit
• Materialtyp (Oxid-, Nicht-Oxid- oder Verbundkeramik)
• Produktionsvolumen
• Kostenaspekte
Für höchste Präzision in der technischen Keramik bleibt die lithografiebasierte Keramikfertigung der Goldstandard. Binder Jetting wird für Anwendungen mit hohem Durchsatz bevorzugt, während Material Extrusion und Jetting spezielle Fertigungsanforderungen erfüllen.