Kaltplastische Extrusion

Materialextrusion

3D Extrusion aller gängiger keramischer Werkstoffe

Bei der kaltplastischen Extrusion wird eine keramische Paste mithilfe von Luftdruck aus einem Tank in einen Schneckenextruder gefördert. Dieser plastifiziert und fördert die Masse weiter zu einer Düse, welche einen Strang produziert, selektiv auf einer Bauplattform ablegt und nach dem üblichen 3D-Druck-Verfahren somit ein Bauteil Schicht für Schicht aufbaut.

Unsere Palette reicht von extrudierfähigen Pasten über verschiedene Porzellanmischungen bis hin zu Oxidkeramiken, wie Al2O¬2, ZrO2 oder MgO. Zusätzlich konnten wir in letzter Zeit Erfahrungen im Bereich von feuerfesten Keramikpasten machen und Bauteile mit einer hohen Temperaturwechselbeständigkeit entwickeln. Bei der Wahl des Werkstoffs, passend zu Ihrer Anwendung, beraten wir Sie hierbei gerne. Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung im Bereich der Pastenentwicklung können wir Ihnen im Rahmen von Machbarkeitsstudien aber auch individuellere Lösungsansätze anbieten, welche noch genauer auf Ihre Bedürfnisse zugeschnitten werden können.

Herstellung

Wie wird eine keramische Paste hergestellt?

Die Paste ist eine Mischung aus keramischem Material und diversen Zusatzstoffen. Herkömmlicherweise wird Ton mit Wasser homogen in einem Mischaggregat vermischt und somit zu einer extrudierfähigen Masse verarbeitet. Da die meisten keramischen Pulver, im Gegensatz zu Ton, allerdings keine plastischen Eigenschaften aufweisen, ist hier deutlich mehr Fingerspitzengefühl bei der Auswahl der Additive gefragt. Es gilt hierbei einen erfolgreichen Mittelweg zwischen Lösungsmittel(n), Dispergiermittel und Plastifizierer zu gehen, um somit eine Paste mit den optimalen Eigenschaften herstellen zu können. Denn zum einen muss die Paste die optimale Viskosität besitzen, sodass sie bei relativ niedrigen drücken durch die Düse extrudiert werden kann aber zum anderen die nötige Haftung zwischen den einzelnen Partikeln aufweisen, um ihre Plastizität zu gewährleisten. Zu guter Letzt muss die Paste ebenfalls eine gewisse Adhäsionskraft mit sich bringen, damit sie bei der ersten Schicht an der Bauplattform und bei allen weiteren Schichten an der jeweils vorigen Schicht anhaften kann.

Ablauf

Wie funktioniert die kaltplastische Extrusion im Detail?

Allem voran muss zunächst ein CAD-Modell erstellt worden sein, welches im nächsten Schritt mithilfe einer Software in einzelne horizontale Scheiben zerlegt wird (Slicing). Weiterhin müssen diese einzelnen Scheiben wiederum in die einzelnen Fahrwege der Düse während des Druckes übersetzt werden. Die entstandene G-Code-Datei kann dann vom 3D-Extruder gelesen und in Bewegungen übersetzt werden. Sie regelt Dinge wie die einzelnen Fahrwege der Düse, die Geschwindigkeit der Düse und den Materialfluss an unterschiedlichen Stellen.

Um nun die hergestellte keramische Paste extrudieren zu können, wird sie mit Druckluft aus einem Tank zu einem Schneckenextruder befördert, welcher die Paste dann weiter bis zur Düse fördert. Somit sorgt der Schneckenextruder während des Drucks für einen kontinuierlichen Materialfluss, während der Drucker selbst die Bewegungen und Positionen des Druckkopfes steuert. Der Schneckenextruder trägt während des Drucks zusätzlich dazu bei, die Keramikpaste zu mischen und ihre Homogenität zu gewährleisten. Die Paste wird dann Schicht für Schicht durch die Düse aufgetragen. Nachdem eine Schicht fertiggestellt wurde, bewegt sich, je nach Modell, die Bauplattform nach unten oder der Extrusionskopf dementsprechend nach oben, sodass eine neue Materialschicht aufgetragen werden kann, welche an der vorigen Schicht anhaftet. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis ein vollständiges Objekt erstellt wurde. Die Schichtdicke wird dabei immer etwas geringer angesetzt, als der Düseninnendurchmesser, um eine optimale Haftung zwischen den Schichten gewährleisten zu können. Die eingesetzte Düse ist austauschbar und kann verschiedene Durchmesser besitzen, was die Genauigkeit des gedruckten Objektes beeinflusst, wobei die Präzision mit steigendem Düseninnendurchmesser abnimmt.

Was passiert mit dem Bauteil nach dem Keramik 3D-Druck?

Nachdem das Bauteil gedruckt wurde, wird es samt Unterlage, für mehrere Stunden bei moderaten Temperaturen getrocknet, damit es von zurückgebliebenem Lösungsmittel befreit wird, welches sonst beim Sintervorgang zu unerwünschten Rissen führen kann. Nach der Trocknung kann es bereits von Hand bewegt werden und in einem Ofen bei der entsprechenden Sintertemperatur gebrannt werden, wobei die Entbinderung gleich während des Brandes stattfindet. Nach dem Brand besitzt das keramische Bauteil dann seine endgültigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften.

Möglichkeiten

Was sind die Möglichkeiten der kaltplastischen Extrusion?

Mit der kaltplastische Extrusion können komplexe Geometrien bei hohen Konstruktionsgeschwindigkeiten ( bis zu ca. 300 cm³/h) relativ kostengünstig hergestellt werden. Der Grad der Präzision des Bauteils kann dabei durch die Wahl der Düse angepasst werden, wobei Düsendurchmesser 0,5 mm bis zu 8 mm möglich sind.

Bauteile, die mit der kaltplastischen Extrusion hergestellt wurden, können im Vergleich zu anderen 3D-Druck-Verfahren sehr geringe Porositäten bei relativ hohen Festigkeiten aufweisen. Entgegengesetzt dazu, können aber ebenfalls Bauteile mit definiert hoher Porosität hergestellt werden, wenn es die jeweilige Anforderung erfordert. Da, im Gegensatz zu FFD und FFF mit vergleichsweise niedrigen Additivgehalten gearbeitet werden kann, müssen die Bauteile auch keinem gesonderten Entbinderungsschritt unterzogen werden. Zudem ist die Bandbreite der verarbeitbaren Keramikpulver deutlich erhöht und es muss nicht ausschließlich auf kommerzielle Produkte zurückgegriffen werden. Mit unserem im Haus entwickelten 3D-Extruder ist aufgrund der zwei getrennt voneinander steuerbaren Düsen sogar Multimaterialdruck möglich.

Grenzen

Wo liegen die Grenzen der kaltplastischen Extrusion?

Bei diesem Verfahren sollte die generelle Wandstärke von 1mm nicht unterschritten und 10 mm nicht überschritten werden. Zudem sollte auch immer bedacht werden, dass die gewünschte Wandstärke natürlicherweise nicht kleiner, als der eingesetzte Düsendurchmesser sein kann. Die maximal von uns herzustellende Bauteilgeometrie beträgt hierbei 600 mm in X- und Y-Richtung und 300 mm in Z-Richtung. Bauteile die überhängende Geometrien (ab 45°) aufweisen, benötigen zusätzliche Stützstrukturen während des Drucks.

Dadurch, dass die einzelnen Schichten eines Bauteils aus einzelnen Strängen zusammengesetzt werden, kann dieses Verfahren in Bezug auf Auflösung und Oberflächenfinish natürlich nicht mit anderen 3D-Druck-Verfahren, wie z.B. dem Binder Jetting mithalten.

Ansprechpartner

Anurag Kadam