Experteninterview: Wie kann man die additive Keramikfertigung und ihre Vorteile nutzen?

Letztes Jahr veröffentlichte SmarTech Analysis, ein auf additive Fertigung spezialisiertes Forschungsunternehmen, seinen neuesten Bericht zum 3D-Keramikdruck und schätzte den Wert der Technologie auf 4,8 Milliarden US-Dollar bis 2030. Diese Branche schreitet immer weiter voran. Das liegt daran, dass die additive Fertigung große Vorteile in Bezug auf die Teilgeometrie, die verfügbaren Materialien, aber auch in Bezug auf die Kosten und die Fertigungszeiten, bietet. Obwohl Keramik traditionell eher in der Welt der Zerspanung bekannt, hat sie einige interessante Eigenschaften und Merkmale für Bereiche wie Luftfahrt, Medizin und Präzisionsguss. Heutzutage gibt es die Möglichkeit,  3D-Druck-Teile aus Zirconiumdioxid, Aluminiumoxid oder Hartmetall zu erschaffen, die Auswirkungen auf industrielle Arbeitsabläufe und traditionelle Fertigungsmethoden haben. Aber warum sollte man sich über die additive Keramikfertigung informieren? Was sind die Vorteile, die man daraus ziehen kann? Gibt es noch Einschränkungen? Unsere Experten geben Ihnen ihre Meinung und Ratschläge, wie Sie die Technologie effektiv integrieren können.

Unser erster Experte ist Romain Faye, Doktor der Naturwissenschaften und Materialien, und heute R&D Projektmanager für den 3D-Druck bei Nanoe. Das französische Unternehmen hat als Experte für die Herstellung von innovativen Rohstoffen in die Entwicklung von Materialien für die additive Fertigung und insbesondere in keramische und metallische Filamente investiert. Unser zweiter Profi ist Vagelis Mavropoulis, Leiter der 3D-Abteilung von Lino3D. Die griechische Gruppe unterstützt Hersteller in ihrem Fertigungsprozess und hilft ihnen bei der Wahl des richtigen Verfahrens, der richtigen Materialien und beim Erwerb der notwendigen Fähigkeiten, um die Einsätze und Funktionsweise von 3D-Technologien zu verstehen. Schließlich, unser dritter und letzter Experte, ist Olivier Greck, der Zuständige für Innovation und Entwicklung bei AVIGNON CERAMIC. Das französische Unternehmen hat sich seit 1870 auf das Spritzgießen von feuerfesten Keramikkernen für den Feinguss spezialisiert und investiert bereits seit einigen Jahren in die additive Keramikfertigung.

Heutzutage verfügbare Technologien und Materialien

Zunächst einmal ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass es zahlreiche 3D-Keramikdruckverfahren gibt, die heutzutage auf verschiedene Arten von Materialien (z. B. Filamente, Pulver, Harz) zurückgreifen. Ohne zu sehr in die Tiefe zu gehen, finden Sie Stereolithografie-Technologien mit Akteuren wie 3DCeram, aber auch Lithoz mit Digital Light Processing (DLP). Außerdem gibt es das Binder-Jetting mit ExOne und das Material-Jetting mit XJet. Zusätzlich kann Keramik auch mit Fused Deposition Modeling (FDM) verwendet werden, wobei einige Akteure wie Nanoe in die Produktion von Keramikfilamenten einsteigen, die mit vielen verschiedenen Maschinen auf dem Markt kompatibel sind.Laut Romain Faye ist das Schlüsselelement, bevor man eine Investition tätigt, „die Vor- und Nachteile jeder Technologie zu verstehen. Es geht darum, die Bedürfnisse in Bezug auf Teilproduktion, Präzision, Geschwindigkeit, Design usw. zu antizipieren.“ Eine Besonderheit, die nicht typisch für die additive Keramikfertigung ist, aber dennoch hilfreich sein kann.

Der Prozess ist von der Wahl des Materials abhängig . Derzeit gibt es mehrere Arten von Keramik auf dem Markt, wobei wir in diesem Artikel vor allem die drei von Romain Faye erwähnten Hauptfamilien beachten werden: Oxide, Karbide und Nitride. In der ersten Kategorie finden wir technische Keramiken wie Zirconiumdioxid und Aluminiumoxid, aber auch Phosphate, die sehr biokompatibel sind und daher im medizinischen Bereich beliebter sind. Karbide und Nitride hingegen haben eine ausgezeichnete Temperaturwechsel-Beständigkeit und hohe Härte und werden daher eher in Hochtemperatur-Anwendungen eingesetzt. Olivier Greck fügt hinzu: „In der additiven Fertigung können wir alle Oxidkeramiken (Porzellan, Zirconiumdioxid, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid-Verbundwerkstoffe, Cordierit) und neuerdings auch Nicht-Oxide (Karbid und Siliziumnitrid) bearbeiten, um neue Anwendungen abzudecken, die eine hohe Verschleißfestigkeit, Steifigkeit oder Super-Feuerfestigkeits-Eigenschaften erfordern.“

Additive Keramikfertigung ist im medizinischen Bereich weit verbreitet (Bildnachweis: Lino3D)

Was sind die Vorteile der additiven Keramikfertigung?

Einer der Vorteile des 3D-Drucks im Allgemeinen ist seine Fähigkeit, komplexe Teile mit einer Geometrie zu produzieren, die sonst nicht möglich wäre. Dies gilt insbesondere für die additive Keramikfertigung, da die heutzutage verwendeten Materialien (sogenannte technische Werkstoffe) aufgrund ihrer Härte schwieriger zu formen sind. Vagelis Mavropoulis erklärt: „Einer der wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks für alle Arten von Materialien ist seine einzigartige Fähigkeit, riskante Geometrien zu produzieren, die mit traditionellen Methoden unmöglich zu erreichen sind. Dies ist vor allem für Keramiken wichtig, da die additive Fertigung auch für deren Eigenschaften die geforderte hervorragende Qualität liefert. Somit wird die Produktion von Kleinserien in der Keramik wirtschaftlicher und effizienter.“ Dieser Ansicht ist auch Olivier Greck, welcher erklärt, dass die additive Fertigung es ihm ermöglicht, sehr komplexe Turbinenschaufel-Kerne zu entwerfen. Ein Produktionsstück, das ohne 3D-Druck nicht hätte hergestellt werden können.

Abgesehen von dieser geometrischen Komplexität bringt die Technologie wichtige Vorteile in Bezug auf die Produktionszeiten und -kosten, aber auch in Bezug auf die erzielten Endeigenschaften. Es ist nicht ungewöhnlich, dass 3D-gedruckte Teile aus Keramik metallische oder polymere Komponenten ersetzen, die selbst nicht wegen ihrer Eigenschaften ausgewählt wurden, sondern wegen ihrer leichteren Formbarkeit. Vagelis Mavropoulis berichtet zudem: „Keramik beginnt, sich als isotroper, sehr dichter und neutraler Werkstoff in verschiedenen Branchen als Ersatz für Metall- und Kunststoffteile durchzusetzen. Dies ist eine Herausforderung für sich und erfordert die Entwicklung spezifischer Fähigkeiten im 3D-Druck.“ Und hier muss der Anwender geschult werden: Die additive Keramikfertigung erfordert solide Kenntnisse, sowohl in Bezug auf den 3D-Druck als auch in Bezug auf das Material. Romain Faye erklärt: „Ein Unternehmen, das die Konstruktion und den Druck von Polymerteilen beherrscht, muss die notwendigen Installationen für die Durchführung von Wärmebehandlungen berücksichtigen. Für ein Unternehmen, das aus der Welt der Keramik kommt, ist der Aspekt des 3D-Drucks unverzichtbar und muss mit aufgenommen werden.“

Bildnachweis: Nanoe

Zu bewältigende Herausforderungen

Die Wärmebehandlung, und insbesondere die Abwicklung des Sinterns, ist eine essenzielle Phase in der additiven Keramikfertigung – eine Phase, die eines der Hindernisse für die vollständige Übernahme der Technologie sein könnte. Oliver Greck erklärt: „Bei Keramik ist die Steuerung der Sinterschwindung ein Schlüsselparameter für den Erfolg, der das Niveau der mechanischen Eigenschaften einschränkt und ,der von von Natur aus inhomogenen, additiven Fertigungstechniken nicht verschont wird, da sie in aufeinanderfolgenden Schichten aufgebaut werden. Ein Unternehmen, das die additive Keramikfertigung integrieren möchte, muss diese Sinterung berücksichtigen, die sowohl in Bezug auf die Materialgesundheit als auch in Bezug auf die Investition ein kritischer Punkt ist.“ Diese Entnahme sollte bereits in der Konstruktionsphase des Teils berücksichtigt werden. Der Anwender sollte daher bedenken, dass die 3D-Modellierung eine sehr wichtige Rolle bei der Herstellung von Qualitätsteilen spielt. Der Lino3D-Experte betonte außerdem: „Es ist wichtig, die Fähigkeiten der Technologie zu verstehen und sie an die richtige Anwendung anzupassen, und gleichzeitig neue Möglichkeiten zu erschließen, die mit traditionellen Methoden unmöglich waren. Natürlich ist auch die Kenntnis aller verfügbaren Materialien und deren Eigenschaften ein wichtiger Faktor. Darüber hinaus ist es unerlässlich zu verstehen, dass eine neue Art von Designansatz erforderlich ist, um das Beste aus CAM herauszuholen. Die Integration der Technologie selbst ist nicht so schwierig.“

Bildnachweis: Lino3D

Die letzten Tipps unserer Experten für den Einstieg in die additive Keramikfertigung

Die additive Keramikfertigung hat eine große Zukunft vor sich, vor allem wenn es um medizinische Anwendungen geht. Wie wir wissen, hat die Gesundheitskrise eine Reihe von Schwachstellen in unserem derzeitigen System aufgezeigt –  Schwachstellen, die mit Hilfe von 3D-Technologien teilweise behoben werden könnten. Olivier Greck sagt zu diesem Anliegen: „Echte Chancen ergeben sich aus den wachsenden Anforderungen der Produktspezifikationen, die zum Einsatz keramischer Materialien und zu spezifischen Geometrien für die additive Fertigung drängen. Die Beschleunigung der Designzyklen und der Bedarf an qualitativ hochwertigen Prototypen, die schnell und ohne Investitionen in kostspielige Umformwerkzeuge hergestellt werden sollen, eröffnen ebenfalls große Perspektiven. Darüber hinaus ist im medizinischen Bereich der biokeramischen Prothesen, die an die einzigartige Morphologie des Patienten angepasst sind, die additive Keramikfertigung offensichtlich notwendig.“

Romain Faye fügt hinzu: „Zetamix ist eine hervorragende Lösung für den 3D-Keramikdruck, da es sich um eine geringe Investition (10,000 €) handelt. Darüber hinaus ist Zetamix einfach zu bedienen und sehr vielseitig, da er sowohl für Kunststoff als auch für Metall verwendet werden kann.“

Ein mit dem Zetamix-Filament gedrucktes Keramikstück (Bildnachweis: Nanoe)

Vagelis Mavropoulis fasst zusammen: „Zögern Sie nicht, einen Druckservice anzufordern, um die Kompatibilität der Ergebnisse zu prüfen und die verschiedenen Lösungen vergleichen zu können. Sobald mehr Klarheit vorhanden ist, ist es viel einfacher, Maßnahmen zu ergreifen und ein geeignetes internes System zu kaufen.“

*Titelbildnachweis: Nanoe

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