Veröffentlichungen

3D-Druck keramischer Bauteile – Wunsch und Wirklichkeit

Der 3D-Druck hat sich in den letzten Jahren von einem Nischen-Thema zu einem Trend entwickelt, der die gesamte produzierende Industrie betrifft. Ausgehend von ersten Entwicklungen in den 1980er Jahren wurden in den darauffolgenden Jahren alle jetzt verwendeten 3D-Druckverfahren erfunden. Bezogen auf Keramik ist bereits in grundlegenden Patenten deren Nutzung beschrieben, wobei es dann noch Jahre gedauert hat, bis die kommerzielle Nutzung einsetzte.
Die Erwartungshaltung bei Nutzung des 3D-Drucks ist es, Bauteile mit Materialeigenschaften zu erhalten, die denen konventionell hergestellter Keramiken gleichwertig sind. Oftmals sollen Geometrien hergestellt werden, die für andere Formgebungsverfahren konstruiert wurden. Das lässt einerseits die Potentiale des 3D-Drucks unberücksichtigt und führt andererseits zu Missverständnissen und Enttäuschungen. Hier werden die derzeit kommerziell verfügbaren 3D-Druckverfahren für Keramik vorgestellt und vor dem Hintergrund der Erwartungshaltungen bewertet. Es wird anhand von Praxisbeispielen gezeigt, wie unterschiedlich das Ergebnis bei Herstellung gleicher Keramiken sein kann und wie der 3D-Druck zielführend eingesetzt wird.

3D-Druck von Al2O3-Keramiken mittels Material Extrusion

in diesem Artikel wird die Herstellung von Al2O3-Keramiken mittels 3D-Druck durch verschiedene Verfahren der material Extrusion hinsichtlich der Porosität, Dichte sowie biegefestigkeit und des Gefüges untersucht. Dabei werden die Verfahren der kaltplastischen material Extrusion mit Pasten und der thermoplastischen material Extrustion mit Filament und mit Granulat miteinander verglichen. Es kann gezeigt werden, dass deutliche Unterschiede hinsichtlich der untersuchten physikalischen Eigenschaften resultieren, die sowohl auf die verwendeten Verfahren wie auch auf die konkreten maschinen und Ausgangsmaterialien zurückgeführt werden können.

Additive Fertigung von Keramik – Wo stehen wir heute?

Die additive Fertigung erschließt immer mehr Anwendungsgebiete und hat inzwischen auch in der Öffentlichkeit einen hohen Bekanntheitsgrad erreicht. Häufig wird der Begriff 3D-Druck als Synonym für additive Fertigung verwendet. Darunter werden alle Prozesse zusammengefasst, mit denen durch Verbinden von Material Bauteile aus 3D-Daten selektiv, in aller Regel Schicht für Schicht, hergestellt werden. Es handelt sich somit um ein Produktionsverfahren, das sich grundlegend von konventionellen Fertigungsmethoden unterscheidet. Der Ursprung der Technik geht auf Charles Hull zurück, der Anfang der 1980er Jahre die Idee hatte, flüssige Photopolymere mittels Laser zu verfestigen. Das Patent von Hull, das 1986 erteilt wurde, prägte sowohl den Begriff Stereolithographie als auch die Grundlagen für diese Technik und für die kommerzielle additive Fertigung. Hull gründete 1986 die Firma 3D Systems, das erste Unternehmen im Bereich additive Fertigung weltweit.

Sinterbasierte Additive Fertigung von Metallen

Nicht nur für die Herstellung von Einzelteilen, sondern auch für die Serienfertigung hat der 3D-Druck Einzug in die Industrie gehalten. Neben Kunststoffen sind es vor allem Metalle die zum Einsatz kommen. Aus der Palette möglicher Verfahren ist Powder Bed Fusion die bekannteste und verbreitetste Technologie. Die Verfahren der Additiven Fertigung lassen sich grundlegend in zwei Gruppen unterteilen:

  • Verfahren mit selektiver Verfestigung, bei denen Ausgangsmaterial flächig in der x-y-Ebene vorliegt
  • Verfahren mit selektiver Abscheidung, bei denen Material selektiv in der x-y-Ebene aufgebracht wird

Darüber hinaus kann man den Zustand des Ausgangsmaterials unterscheiden in flüssig, pulverförmig und fest.

Simulation und Optimierung von additiv gefertigter Keramik

Das Potential der Additiven Fertigung, das durch geometrische Freiheiten der Gestaltung gegeben ist, wird bisher häufig nur unter Design Aspekten genutzt. Zur Konstruktion keramischer Bauteile sind viele Heuristiken und Richtlinien vorhanden, es mangelt jedoch an einer analytischen Herangehensweise und Vergleichskriterien. Die gezielte Reduzierung der Masse, ohne Einbuße des Einsatzverhaltens, ist für Keramik kommerziell noch nicht umgesetzt. Auf Grundlage einer Anpassung für Bauteile aus Stahl wurde daher eine anwendungsspezifische Topologieoptimierung keramischer Bauteile entwickelt, um das Potential des 3D-Drucks für keramische Komponenten konsequent zu nutzen. Als besondere Herausforderung galt es, die beim Sinterprozess auftretenden Schwindungen zu berücksichtigen und die richtungsabhängigen Materialeigenschaften gedruckter Keramik zu berücksichtigen. Beispielsweise müssen, um Risse zu vermeiden, große Masseunterschiede innerhalb eines Bauteils vermieden werden und trotzdem eine Gewichts- und Größenreduktion erreicht werden. Das anwendungsoptimierte Bauteil wurde in einem zweiten Schritt ein weiteres Mal topologieoptimiert, diesmal mit einem fertigungsspezifischen Bezug. Insbesondere beachtet wurden die Vorgänge beim Sintern.

3D-Druck macht synthetischen Kraftstoff kostengünstiger

Energiespeicherung ist ein integraler Bestandteil der Energiewende, wobei power-to-gas und power-to-liquid Konzepte von besonderer Bedeutung sind. Überschüssige Energie kann in gasförmiger oder flüssiger Form gespeichert werden. Mittels Elektrolyse von CO2 und H2O kann erneuerbare Energie in Kraftstoff umgewandelt werden, mit dem z.B. Autos betankt werden können.

Mit dieser Umwandlung von erneuerbarer Energie mittels Elektrolyse befassen sich die WZR ceramic solutions GmbH und das Forschungszentrum Jülich als deutsche Partner im Rahmen des deutsch-griechischen F&E-Projektes PROMETHEUS, das vom 01. 03. 2018 – 28.02.2021 vom BMBF gefördert wird.

Additiv oder subtraktiv – eine wirtschaftliche Betrachtung

Als ein Vorteil der additiven Fertigung werden geringere Kosten bei der Herstellung von Einzelteilen und kleinen Stückzahlen genannt. In diesem Beitrag wird untersucht, unter welchen Bedingungen additiv gefertigte Bauteile günstiger oder teurer als konventionell hergestellte Bauteile sind. Dazu werden zwei unterschiedliche Bauteile mit zwei verschiedenen Herstellungsverfahren, der CNC-Bearbeitung und der Vat Photopolymerisation, auf ihre Wirtschaftlichkeit hinsichtlich der Parameter Herstellzeit, Herstellkosten und Materialeffizienz untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Vorteile der additiven Fertigung dann voll ausgeschöpft werden, wenn Bauteile effizient und komplex gestaltet werden.

Kunst trifft Technik – Keramik aus dem 3D-Drucker

Das Museum KERAMION in Frechen und die WZR ceramic solutions GmbH hatten erstmals in Deutschland zu einem Wettbewerb „Kunst trifft Technik – Keramik aus dem 3D-Drucker“ aufgerufen. Die Schirmherrschaft zu diesem Wettbewerb hat Herr Prof. Pinkwart, Minister für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie in NRW übernommen. Die Entwürfe von 10 Teilnehmerinnen und Teilnehmern wurden von WZR mittels Binder Jetting und Material Extrusion realisiert und werden nun bis zum 26.02.2020 im KERAMION ausgestellt.

Tagung Keramik+ 2019 – Additive Fertigung keramischer Bauteile

Am 22./23. Mai 2019 fand im City-Hotel Bonn/Meckenheim die von der WZR ceramic solutions GmbH organisierte Tagung Keramik+ statt. Die Vorträge befassten sich nicht nur mit dem Stand der Technik unterschiedlicher Additiver Verfahren in der Keramik, sondern beleuchteten auch die vor- und nachgeschalteten Prozesse, sowie das Umfeld aus juristischer Sicht und Aspekte des Arbeitsschutzes.

Lesen Sie den Bericht von Leyla Buchholz, veröffentlicht in der Keramischen Zeitschrift, Heft 5, August 2019.

Keramik und Additive Manufacturing

Die Additive Fertigung erschließt mit Kunststoffen und Metallen immer mehr Anwendungsgebiete und hat inzwischen einen hohen Bekanntheitsgrad in der Öffentlichkeit erreicht. Demgegenüber scheinen sich die Verfahrensmöglichkeiten der Keramik nur in engsten Kreisen abzuspielen. Keramische Werkstoffe treten zwar in der öffentlichen Wahrnehmung selten auf – abgesehen von Porzellan, Sanitärkeramik oder Fliesen –, sie sind jedoch bei fast allen technischen Prozessen von großer Bedeutung.

Additive Fertigung keramischer Bauteile

Die Additive Fertigung hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und kommt mittlerweile in vielen Branchen zum Einsatz. Im Juni letzten Jahres wurde von der WZR ceramic solutions eine Tagung zu den Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie speziell in der Keramikindustrie ausgerichtet. Hochkarätige Referenten sorgten für ein vollbesetztes Auditorium. Die Veranstaltung befasste sich nicht nur mit den Additiven Verfahren, sondern auch mit den vor- und nachgeschalteten Prozessen sowie mit juristischen Fragen und Aspekten des Arbeitsschutzes.

Tagung Keramik+ 2017 – Additive Fertigung keramischer Bauteile

Am 5.–6. Juli 2017 fand im City-Hotel Bonn/Meckenheim die von der WZR ceramic solutions GmbH organisierte Tagung Keramik+ statt. Hochkarätige Referenten sorgten dafür, dass das Auditorium bis auf den letzten Platz besetzt war. Die Vorträge befassten sich nicht nur mit dem Stand der Technik unterschiedlicher Additiver Verfahren in der Keramik, sondern beleuchteten auch die vor- und nachgeschalteten Prozesse, sowie das Umfeld aus juristischer Sicht und Aspekte des Arbeitsschutzes.
Lesen Sie den Bericht zur Tagung, veröffentlicht in der Keramischen Zeitschrift, Heft 5, August 2017.

Prüfkonzepte in der Additiven Fertigung

Autor: W. Kollenberg, WZR ceramic solutions GmbH, Rheinbach

Tagung Werkstoffprüfung 2016
1. und 2. Dezember 2016
Neu-Ulm

Herausgegeben von
Hans-Jürgen Christ

Additive Fertigung von Keramiken

TECHNISCHE KERAMISCHE WERKSTOFFE
Autor: Dr. Wolfgang Kollenberg


Herausgegeben von PROF. DR. JOCHEN KRIEGESMANN
Loseblattwerk, 8 Bände, ca. 9000 Seiten, Format DIN A5,
6 Aktualisierungen jährlich

Neuer Tigeltest für Feuerfestmaterial

Reaktionen zwischen Metallschmelze, Schlacke und Feuerfestmaterial führen zur Korrosion des Feuerfestmaterials und damit zum vorzeitigen Verschleiß und Versagen der Auskleidung. Bei der Lebensdauer feuerfester Materialien ist die Korrosion ein bestimmender Faktor. Um die damit verbundenen Kosten zu minimieren, ist es wichtig, die einzelnen Einflussfaktoren der Korrosion (Temperatur, Druck, Sauerstoffaktivität, Strömung und Dichte der Schmelze, Phasenbestand, Korngröße, Poren, Kornbildung des FF-Materials) zu kennen und möglichst zu quantifizieren. Da jedoch einige Parameter durch den Gießprozess selber vorgegeben sind (Schmelztemperatur des Metalls), ist die Auswahl der zu variierenden Parameter limitiert. Schlacke und Feuerfestmaterial müssen auf die Schmelze abgestimmt werden. Die Erfahrung zeigt, dass nicht die Schmelze sondern viel häufiger die Schlacke zum Verschleiß der Auskleidung führt.

Sinterschalen für den Dentalbereich – digital dental magazin Ausgabe 1 2015

Die von WZR hergestellten Sinterschalen für den Einsatz in Dentalöfen werden aus Aluminiumoxid (>99% Al2O3) hergestellt und eignen sich für Hochtemperatur-anwendungen bis zu 1500°C. Durch die hohe Porosität des Werkstoffes ist die Temperaturwechselbeständigkeit sehr gut. Durch den 3D-Druckprozess ist es möglich, die Schalen in Form und Größe zu variieren, sodass für jeden Kundenwunsch die passende Lösung gefunden werden kann. Da im 3D-Druck die Geometrien direkt aus den CAD-Daten aufgebaut werden, sind kleine Stückzahlen, unterschiedliche Bauteil-Varianten oder individuelle Beschriftungen fast ohne Mehraufwand umzusetzen.

Industrielle Fertigung von Keramik mit 3D-Druck

Die Additive Fertigung zieht auch in die Keramikindustrie ein. Für die industrielle Fertigung stehen heute Lithographie und 3D-Druck zur Verfügung. Für Anwendungen, bei denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden, sind Additive Verfahren in jedem Fall wirtschaftlich. Nicht nur die Werkzeugkosten werden eingespart, auch die Lagerhaltung entfällt, und der Kunde kann wesentlich schneller und flexibler bedient werden. Der Begriff „Serienfertigung“ bekommt in der Additiven Fertigung eine neue Bedeutung. Es geht nicht mehr darum, möglichst viele gleiche Produkte herzustellen, um die Prozesskosten zu reduzieren, vielmehr steht die optimale Ausnutzung des Prozessraumes im Fokus. Der Bauraum eines 3D-Druckers kann unterschiedlichste Komponenten enthalten, man kann also von einer „Serienfertigung von Einzelteilen“ sprechen.

Keramik und Multi-Material 3D-Druck

Additive Fertigungsverfahren erwecken zurzeit ein großes Interesse. Das Lasersintern von Metallen steht unmittelbar vor der industriellen Serienfertigung. Stereolithografie kann heute bereits für die Herstellung von keramischen Bauteilen genutzt werden und bietet sich als Vorstufe zum Spritzguss an. 3D-Druck wird beispielsweise für die Fertigung angepasster Brennunterlagen, für Knochenersatz oder Designobjekte eingesetzt. Zu den Vorzügen der Additiven Verfahren zählt die Materialeffizienz: beim 3D-Druck können die nicht mit der Tinte bedruckten und verfestigten Pulveranteile ohne Verlust wiederverwendet werden. Mittels FDM oder 3D-Extrusion können endkonturnahe Keramik-Halbzeuge für die CNC-Bearbeitung gefertigt werden. Der Multi-Material 3D-Druck eröffnet völlig neue Anwendungsgebiete, da die Eigenschaften oder auch die Farbe eines Bauteils lokal verändert werden können. Durch den Einsatz Partikel gefüllter Tinten gelingt es dichte Gefüge zu erzeugen. Werden zusätzlich mehrere mit unterschiedlichen Partikeln gefüllte Tinten verdruckt, können Gefügeverstärkungen und Funktionalisierungen realisiert werden. Um den Anwendern auch eine langfristige Perspektive zu bieten, arbeitet WZR intensiv mit Kooperationspartnern daran, den 3D-Druck als industrielles Serienfertigungsverfahren für keramische Bauteile zu etablieren.

Ansprechpartnerin

Bettina Hendricks
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