3D-Siebdruck – bringt die Vorzüge technischer Keramik in die kleinsten Dimensionen

Siebdruck

Großserienproduktion mittels Additiven Verfahren – mit 3D-Siebdruck möglich

Technische Hochleistungskeramiken, die in der Anwendung dem Trend nach Miniaturisierung und strukturellem Leichtbau folgen, lassen sich vorzüglich mit dem 3D-Siebdruck-Verfahren herstellen. Das 3D-Siebdruck-Verfahren ermöglicht filigraner Strukturen – z. B.  dünnwandige Kanäle oder schmale Stege – und das mit einer Konturschärfe, die bei keinem anderen Additiven Verfahren erreicht wird. Weitere Vorteile dieses Verfahrens sind:

  • Die benötigten Siebe – die Werkzeuge dieses Verfahrens – sind technisch hochentwickelt und preiswert.
  • Die Anlagentechnik ist ausgereift und bietet kontinuierliche Verfahren an, mit denen große Durchsätze möglich sind – Großserienproduktion ist im keramischen 3D-Siebdruck schon heute möglich.
  • Bei diesem Verfahren entsteht praktisch kein Rohstoff-Abfall, weil überschüssiges Material an einer Stelle (auf dem Sieb) verbleibt und einfach in den Produktionskreislauf zurückgeführt werde kann. Für teure oder umweltkritische Rohstoffe ist dieses Verfahren also gut geeignet.

Details

Was ist 3D-Siebdruck?

Siebdruck – „zweidimensional“ – ist ein seit Jahrzehnten etabliertes Dickschicht-Verfahren, das vielfältig eingesetzt wird, z. B. um farbige Motive oder Leiterbahnen auf Substrate zu drucken. Das prinzipielle technische Know-how ist hochentwickelt und abruf- und nutzbar. Das Handwerk des Siebbaus ist weitverbreitet. In jeder Region sind preiswerte Siebe auf höchstem Qualitätsniveau zu erhalten. Diese Siebe sind die Werkzeuge, die auch im 3D-Siebdruck eingesetzt werden. Sie tragen das Motivmuster, also die Bereiche im filigranen Stahlgewebe des Siebes, die nicht mit einer Polymerschicht verschlossen und somit bildgebend durchlässig sind.

Zur Additiven Fertigung von Keramikkörpern muss die automatisierte Siebdruckanlage modifiziert werden durch die Installation einer z-Richtung, die die dritte Dimension für den Aufbau eines Volumenkörpers freigibt. Mit einer so modifizierten Anlage wird in einem iterativen Verfahren der Volumenkörper Schicht für Schicht aufgebaut, indem immer eine Schicht auf die verfestigte vorherige Schicht gedruckt wird.

Der Materialauftrag – der Druckvorgang – geschieht mit einer Gummilippe (Rakel) die über das Sieb streicht und das Baumaterial durch die Motivmuster auf den Bauraum presst.

Kern der Entwicklungsarbeit und Schlüsselschritt für das Gelingen dieses Verfahrens ist es, den keramischen Rohstoff in eine Form zu bringen, in der er einerseits durch das Sieb streichbar, konturscharf zu dreidimensionaler Struktur aufbaubar und schließlich brenntechnisch zu einem monolithischen niedrigporösen Bauteil versinterbar ist. Hierfür müssen für jede Anwendung individuell sogenannte Pasten entwickelt werden. Trägerlösungsmittel, Keramikpartikelfüllung, Additiveinträge, sind die Stellschrauben der Pastenzusammensetzung – Thixotropie, Trocknungs- und Entbinderungsdynamik, Sinterverdichtung sind die zu optimierenden Parameter.

Die fertig gebrannten Bauteile erfüllen alle Kriterien, die von traditionell hergestellter Keramik bekannt sind.

Ablauf

Wie funktioniert 3D-Siedruck im Detail?

Die mit Keramikpartikeln gefüllte und mit Additiven optimierte Siebdruckpaste wird auf dem Sieb platziert.

Die Anlage wird periodisch betrieben: mit der eingestellten Frequenz senkt sich der Rakel auf das Sieb und schiebt die Paste vor sich her über die bildgebenden Motivmuster wobei Paste durch die Aussparungen gedrückt wird. Bei der Rückbewegung wird ein Rückholschieber aktiviert, der die Siebdruckpaste in Ausgangsposition bringt. Dann beginnt der Prozess erneut.

Durch den Rakeldruck wird das feine Stahlgewebe des Siebes gedehnt (Absprung) und berührt die zuvor gedruckte Struktur so, dass die Polymerschicht der Siebunterseite mit ihr eine bündige Verbindung herstellt. So wird begünstigt, dass die entstehenden Wandungen glatt, steil und mit hohem Aspektverhältnis ausgebildet werden.

Ein scherverdünnendes Verhalten der Paste begünstigt eine homogene Auflage der neuen Schicht auf das zuvor gedruckte Bauteilfragment. Damit in die Höhe gebaut werden kann, müssen zwischen den einzelnen Druckzyklen noch zwei Aktionen durchgeführt werden:

  • In dem Maße, wie das Bauteil wächst, muss die Bauplattform schrittweise kontinuierlich von der Siebabsprungebene abgesenkt werden – und zwar in dem Maße, der einer Schichtdicke entspricht.
  • Das frisch gedruckte Bauteilfragment muss den Berührungen während des Absprungs widerstehen also eine gewisse Standfestigkeit haben (auch um die neu aufgelegte Schicht zu tragen). Dafür muss das Bauteilfragment zwischen den Zyklen getrocknet werden. Ein Binderadditiv zieht beim Trocknen an und sorgt für eine stabile (nicht zu spröde) Verklebung der Keramikpartikel.

Schicht für Schicht wird das Bauteil sukzessive aufgebaut. Die Schichtdicken pro Zyklus schwanken je nach individuellen Rahmenbedingungen zwischen 10 und 30 µm, was einem Baufortschritt von etwa 3 mm/h entspricht.

Eignung

Wofür ist 3D-Siebdruck besonders geeignet?

3D-Siebdruck ist vergleichbar mit dem klassischen Extrusionsverfahren, bei der Masse durch eine Maske gedrückt und das strukturierte Halbzeug dann geführt und geschnitten wird. 3D-Siebdruck ist also besonders geeignet für vergleichbare Geometrien, für die die herkömmliche Extrusionsverfahren zu grob sind.

Generell ist das 3D-Siebdruckverfahren limitiert auf Bauteile, die in z-Richtung keine große Anzahl an Geometriewechseln aufweisen. Zwar kann mit Siebwechseln auch ein Geometriewechsel in Baurichtung unterstützt werden, ständige Formänderungen – wie z. B. bei kugelförmigen Körpern, wo jede Schicht ein anderes Sieb bräuchte – sind selbsterklärend ungeeignet (In diesem Fall empfiehlt sich das Vat-Photopolymerisations Verfahren mit ähnlichem Auflösungsvermögen)

Bauteil-Beispiele aus unserer Entwicklungshistorie sind: Mikroreaktoren, miniaturmechanische Teile, Katalysatorträger mit großer makroskopischer (und mikroskopischer, über Porosität einstellbarer) Oberfläche.

Die Bauteiloptionen für das 3D-Siebdruck-Verfahren lassen sich mit drei Schlagworten zusammenfassen: filigran, flach, viele.

Ansprechpartner

Dr. Axel Pelka