Binder Jetting mit Keramik

Additive Fertigung

Komplette Prozessentwicklung bis zum 3D Bauteil aus technischer Keramik

Durch unsere langjährige Erfahrung und die beschriebenen Prüfungen können wir Kunden, die in die additive Fertigung einsteigen wollen, den kompletten Prozess von Materialentwicklung (Pulver und Tinten), über Prozessentwicklung, bis hin zum fertigen 3D-gedruckten Bauteil bieten.
Egal ob Material- und Prozess-Neuentwicklungen oder die direkte Fertigung von gewünschten Bauteilen aus unseren Standardmaterialien CerPrint-Alox1 und CerPrint-LT01 – wir haben das Know-how und die individuellen Lösungen für Sie.

Binder Jetting

Binder Jetting - der Pulverbett basierte 3D Druck mit Keramik

Binder Jetting ist eine Form der additiven Fertigung, die häufig auch als Pulverbett basierter 3D-Druck bezeichnet wird. Der Prozess des Binder Jettings beruht auf der Inkjet-Technologie. Ähnlich einem Tintenstrahldrucker wird ein Substrat, in diesem Fall eine keramische Pulveroberfläche, mittels eines Druckkopfes bedruckt. Die Vorlage für die zu druckenden Teile wird als CAD-Datei bereitgestellt, die digital in Scheiben (Slices) mit gewünschter Schichtdicke zerlegt wird (üblicherweise 50 – 200 µm). Anstatt einer Druckertinte wird eine Bindertinte verwendet, die die Pulverpartikel untereinander verklebt. Das Pulver wird Schicht für Schicht aufgetragen und bedruckt, wobei sich das Pulverbett nach jedem Druckvorgang um eine Schicht in z-Richtung nach unten bewegt. Die Auftragung der Schichten erfolgt durch eine rotierende Walze in x-Richtung, der Druckkopf bewegt sich in xy-Richtung. Somit wird das Bauteil von unten nach oben aufgebaut, wobei das übrige, nicht gebundene Pulver bei diesem Vorgang eine Stützfunktion übernimmt.

Ablauf

Wie funktioniert die Schichtlegung beim Binder Jetting

Eine rotierende Walze fördert das Pulver von dem Vorratsbehälter in den Bauraum. Ziel ist es, ein möglichst dichtes Pulverbett mit glatter, homogener Oberfläche herzustellen. Entscheidend hierfür ist zum einen die Schichtdicke, die auf die jeweilige Korngröße des eingesetzten Pulvers abgestimmt wird. Zum anderen spielt die Rotationsgeschwindigkeit, sowie die Verfahrgeschwindigkeit der Walze eine entscheidende Rolle für die Qualität der Pulveroberfläche. Diese Parameter stehen in engem Zusammenhang mit den Fließeigenschaften sowie der Verdichtbarkeit des Pulvers.

Wie funktioniert der Druckprozess im Binder Jetting?

Der Druckkopf druckt den ersten Slice der Druckdatei auf die Pulveroberfläche. Anschließend senkt sich der Bauraum um die Höhe einer Schicht ab, der Vorratsraum wird entsprechend nach oben gefahren und die nächste Schicht wird mittels der rotierenden Walze gelegt. Dieser Prozess wiederholt sich, bis der letzte Slice gedruckt wurde. Das Zusammenspiel zwischen Tinte und Pulver ist von großer Bedeutung. Ist die Bindersättigung zu gering, werden die Schichten untereinander nicht stark genug gebunden, um dem Grünkörper eine ausreichende Festigkeit zu verleihen. Eine zu hohe Bindersättigung führt hingegen zu Unregelmäßigkeiten in der Geometrie, da zu viele Pulverpartikel gebunden werden. Entscheidend hierfür ist die Benetzung des Pulvers mit der Tinte. Trifft ein Tropfen auf die Pulveroberfläche, bildet er eine kugelförmige Verbindung mit den Pulverpartikeln. Die einzelnen Tropfen, auch die der vorherigen Schicht, verbinden sich aufgrund der Kapillarkräfte miteinander. Ein zu geringer Abstand der Tropfen oder ein zu großes Volumen pro Tropfen führen zu einem „Ausbluten“ der Tinte und damit zu unregelmäßigen Außenkanten. Zu große Abstände oder zu geringe Tropfenvolumina führen hingegen dazu, dass das Pulver nicht stark genug gebunden und keine ausreichende Festigkeit erreicht wird.

Was geschieht nach Beendigung des 3D-Druckprozesses?

Nachdem die letzte Schicht gedruckt wurde, muss das Bauteil im Pulver trocknen (je nach Größe 2 bis 8 Stunden). Anschließend kann das Bauteil aus dem Pulverbett entnommen werden. Mit Pinsel und/oder Druckluft kann das lose Pulver entfernt werden. Damit liegt der sogenannte Grünkörper vor, der lediglich durch den aufgedruckten und ausgehärteten Binder zusammenhält.

Um schlussendlich einen keramischen Körper zu erhalten, muss der ausgehärtete Binder entfernt und der Grünkörper gesintert werden. Dies geschieht bei unserem Prozess in einem Schritt. In unsere werkstoffabhängigen Brennkurven lassen wir zu Beginn einen relativ langsamen Temperaturanstieg zur Entbinderung laufen. Anschließend wird die Temperatur bis zu dem Wert erhöht, bei dem der jeweilige Werkstoff versintert. Nach der Abkühlungsphase kann das fertige keramische Bauteil entnommen werden.

keramische Pulver

Welche keramischen Pulver werden für dieses 3D-Druckverfahren verwendet?

Generell lassen sich jegliche keramische Rohstofftypen (z.B. Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliciumcarbid u.v.m.) mit dem Binder Jetting verarbeiten. Entscheidend sind die Korngrößenverteilung, die Kornform, die Dichte, sowie die spezifische Oberfläche der eingesetzten Pulver. Diese Materialeigenschaften lassen zum einen auf die Fließfähigkeit und Verdichtbarkeit der Pulver schließen, zum anderen sind sehr feine Pulver mit hoher spezifischer Oberfläche entscheidend, um eine ausreichende Reaktivität während des Sintervorgangs zu gewährleisten. Wir bei WZR haben viel in die Entwicklung von Pulvercharakterisierung investiert. Hierbei bestimmen wir beispielsweise Schütt- und Klopfdichten, Korngrößenverteilungen, dynamisches Fließverhalten, sowie das Sorptionsverhalten bei Kontakt mit Flüssigkeiten. Mithilfe dieser Charakterisierungsverfahren können wir sehr schnell und gezielt Pulvermischungen aus verschiedenen Rohstoffen mit gewünschten Eigenschaften entwickeln und herstellen, ohne sie dem ganzen Binder Jetting-Prozess unterziehen zu müssen, um eine Aussage über die Qualität der Pulvermischung treffen zu können.

Tinten

Welche Tinten werden verwendet und wie erhöhen sie die Dichte der keramischen Bauteile?

Standardmäßig werden einfache Bindertinten verdruckt. Dies sind Flüssigkeiten, in denen ein organischer Binder gelöst ist, welcher die Pulverpartikel verklebt. Da keramische Bauteile, die mittels Binder Jetting hergestellt werden, in der Regel eine relativ hohe Porosität aufweisen, haben wir mit Keramikpartikeln gefüllte Tinten entwickelt, die sich mit industriellen Tintensystemen und Druckköpfen verarbeiten lassen. Durch den Einsatz von Keramikpartikeln in der Tinte, die dem Pulverbett entsprechen, kann die Dichte des gebrannten Bauteils signifikant erhöht werden. Zudem ist der Einsatz von Partikeln (keramisch oder auch metallisch) möglich, die nicht dem Pulverbett entsprechen. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Herstellung von Multi-Material-Bauteilen. Wie bei den eingesetzten Pulvern müssen auch die verwendeten Tinten bestimmte Eigenschaften erfüllen, um im Binder Jetting eingesetzt werden zu können. Hierzu zählen insbesondere die Viskosität, die Oberflächenspannung, sowie die zeitabhängige Stabilität (Phasentrennung, Sedimentation). Auch zur Tintenherstellung und -bewertung haben wir ein eigenes Labor mit entsprechenden Prüfmethoden, wodurch wir individuelle Tinten für die Ansprüche unserer Kunden entwickeln können.

Vor-& Nachteile

Welche Vor- und Nachteile hat der Binder Jetting-Prozess?

Vorteile Binder Jetting
  • Hohe Prozessgeschwindigkeit
    • 30 Sekunden / Druckschicht
    • Es können mehrere verschiedene Bauteile gleichzeitig gedruckt werden
  • Kein Stützmaterial notwendig
    • Die schichtweise aufgebauten Bauteile werden vom umgebenden Pulver gestützt, welches zudem wiederverwendet werden kann
  • Komplexe Geometrien
    • Überhänge, Hinterschneidungen, Löcher usw. sind möglich
    • Durch die geringe Schichtdicke (50 – 200 µm) können auch filigrane Bauteile mit einer hohen Genauigkeit gefertigt werden
  • Multi-Material
    • Durch den Einsatz von partikelgefüllten Tinten können verschiedene Materialien in das Bauteil gedruckt werden
Nachteile Binder Jetting
  • Meist hohe Porosität
    • Da das Pulver im Prozess generell nicht hoch verdichtet wird, weisen die Bauteile eine vergleichsweise hohe Porosität auf. Dies ist werkstoffabhängig und kann mit partikelgefüllten Tinten optimiert werden.
  • Geringe Festigkeit
    • Entsprechend der hohen Porosität, weisen die Bauteile eine vergleichsweise geringe Festigkeit auf. Auch hier ist eine Optimierung mit partikelgefüllten Tinten möglich
  • Freilegen aus dem Pulverbett
    • Die gedruckten Bauteile müssen aus dem überschüssigen Pulver entfernt werden. Je nach Komplexität des Bauteils, kann dies sehr aufwendig sein.

Restriktionen

Welche Restriktionen für die Konstruktion von Bauteilen gibt es?

Maximale Bauteilgröße

180 x 180 x 150 mm (Länge x Breite x Höhe)

Kanäle

Durchmesser des Kanals sollte mindestens 1/10 der Länge des Kanals betragen

Wandstärke

Wände sollten eine Stärke von mindestens 2 mm aufweisen

Ecken/Kanten

Sollten immer abgerundet sein

Hohlräume

Hohlräume dürfen nicht vollständig geschlossen sein

Ansprechpartner

Michael Lüke