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Wie können Labore und Forschungszentren vom keramischen 3D-Druck profitieren?

Auf 20. September 2021 von Regina P. veröffentlicht

Im Jahr 2018 hat das französische Unternehmen Nanoe erfolgreich das Materialangebot für die additive Fertigung mit seinen Produkten erweitert: Unter dem Namen Zetamix bietet der Hersteller Keramik- und Metallfilamente für Extrusionsverfahren (FFF) an. Mit den Produkten soll die Herstellung von maßgeschneiderten Keramik- und Metallteilen für Fachleute und Produzenten erleichtert werden. Heute setzen viele Forschungslabore keramische Werkstoffe gezielt ein: sei es zur Konstruktion von Probehalterungen, Gasgebläsekomponenten oder für Tiegel. Der keramische 3D-Druck bietet dabei mehr Gestaltungsfreiheit unter gleichzeitiger Beibehaltung der erforderlichen thermischen und chemischen Eigenschaften.

Wir haben mit drei französischen Forschungszentren gesprochen, um mehr über den Mehrwert der keramischen additiven Fertigung sowie über den Einsatz von Zetamix-Filamenten zu erfahren: kürzere Produktionszeiten, niedrigere Kosten und maßgeschneidertes Design – die Vorteile sind vielfältig. Das Laboratoire des Procédés Céramiques et Procédés Associés (LMPCA) befasst sich unter anderem mit technischen Keramiken für biomedizinische, elektrische und elektronische Anwendungen, von der Entwicklung bis zur Charakterisierung. Die Materialien von Zetamix sind Teil der Studie und werden hier auch zur Herstellung von verschiedenen Werkzeugen verwendet. Beim zweiten Labor handelt es sich um das ESFR, ein internationales Forschungszentrum, das sich auf die Struktur von Materialien mit atomarer Auflösung konzentriert. Das Materialzentrum von Mines Paris Tech schließt unsere Expertenrunde und fokussiert sich darauf, den Einfluss diverser Herstellungsprozesse auf die Eigenschaften der Materialien zu verstehen.

3D-gedruckte Tiegel aus Zetamix-Filament (Bild: Zetamix)

Die Herstellung von maßgeschneiderten technischen Keramikteilen

Für die in Forschungszentren durchzuführenden Experimente werden diverse Geräte und Werkzeuge benötigt, welche meist an die spezifischen Anforderungen angepasst sein müssen. Damit der reibungslose Ablauf eines Experiments gelingt, gilt es maßgeschneiderte Teile herzustellen. In den meisten Fällen benötigt ein Speziallabors Probenhalter sowie anderes Equipment, das hitzebeständig ist oder ganz bestimmte chemische Eigenschaften haben muss.

Bei der ESRF arbeiten die Wissenschaftler unter anderem mit einem Synchrotron: dabei handelt es sich um ein elektromagnetisches Instrument, das Elementarteilchen auf hohe Energie beschleunigt. Forschungsteams aus ganz Europa besuchen das ESRF, um mit der vorhandenen Infrastruktur Proben zu analysieren. Denn für diese Arbeiten werden Teile benötigt, welche sowohl mechanisch widerstandsfähig sind als auch extremen Temperaturen standhalten können. Vor allem aber ist es wichtig, dass die Teile auf die verschiedenen Proben und die für das Forschungsteam notwendigen Bedingungen zugeschnitten sind. Die Nutzung des Synchrotrons wird streng geregelt, denn die Strahlzeit ist kostbar. Manche Wissenschaftler bereiten ihre Experimente ein Jahr im Voraus vor, um keine Zeit mit defektem Equipment zu verlieren. Und genau hier kommt auch der 3D-Druck ins Spiel, der sich aufgrund seiner Schnelligkeit als ideales Fertigungsverfahren für solche Prozesse bewiesen hat. Die Teams sind nun in der Lage, maßgeschneiderte Teile in nur 32 Stunden zu entwerfen, zu drucken, zu sintern und anschließend zu testen. Während einige Teile mit einem Prusa 3D-Drucker aus Kunststoff gedruckt oder aus Metall gefräst werden, müssen andere hitzebeständiger sein. Viele Experimente werden mit unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt, von -270°C bis 1200°C, und die Verwendung von Zetamix-Filamenten ist eine ideale Lösung.

ESRF druckt keramisches Werkzeug auf einem FFF-3D-Drucker; von links nach rechts: Mikrobrenner-Heizpatronen und Halterung

Die keramischen Materialien von Zetamix sind mit herkömmlichen FFF-3D-Druckern kompatibel, was den Herstellungsprozess erheblich vereinfacht. Nach dem Entbindern und Sintern entstehen maßgeschneiderte technische Bauteile, welche über eine gute Wärmedämmung, eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 1.600 °C und eine hohe Dichte verfügen – und das sogar zu geringeren Kosten, was die Labore befähigt mehr Iterationen und Experimente durchzuführen und komplexere Modelle zu testen.

Links: Eine ESRF-spezifische Heizpatrone im Einsatz; rechts: Probenhalter und Heizpatrone

Optimierung von Experimenten mit Zetamix

Das Materialzentrum von Mines Paris Tech hat in einen 3D-Drucker und einen Sinterofen investiert, um mögliche Experimente zu vervielfachen und die Durchführung dieser intern zu verbessern. Das Labor führt verschiedene Studien durch, um den Einfluss der Herstellungsverfahren auf die Eigenschaften der Materialien zu analysieren und zu verstehen. Dabei werden zahlreiche Tests durchgeführt (Zugkraft, Hitzebeständigkeit usw.), wofür auch spezielle Probenhalter benötigt werden. Dank des FDM-3D-Drucks gelingt es den Forschern mehr technische Keramikteile zu produzieren – so werden beispielsweise Aluminiumoxidträger für Metallproben beim Laserschmelzen oder für das Pulverbettverfahren 3D-gedruckt. Die Halterungen erlauben ein Ausglühen der Zugproben vor der anschließenden mechanischen Prüfung. Zetamix stellt dabei die einzige Lösung dar, welche es ermöglicht, einen temperaturbeständigen Aluminiumoxidträger mit einem kreisförmigen Design zu erhalten, welcher für eine bessere Verteilung der Teile im Ofen unerlässlich ist. In Folge wird dadurch auch die Qualität verbessert.

Beim ESRF konnte in diesem Sinne eine ähnliche Beobachtung gemacht werden: Die keramische additive Fertigung, insbesondere mit Zetamix-Materialien, ermöglicht die Entwicklung neuer Designs zu relativ geringen Kosten. Carlos Cosculuella und Yves Watier von der ESRF sagen: „Wir arbeiten derzeit an viel komplexeren Entwürfen für eine vollständige Umweltkontrolle mit Zetamix. So planen wir beispielsweise die Herstellung eines wassergekühlten Mikrobrenners mit internen Kanälen für Kühlung, Reagenzien und Temperaturmessung. Diese Art von Teil ist noch nicht fertig, aber wenn es soweit ist, wird es die Qualität der Analyse für spezifische Experimente erheblich verbessern. Und natürlich wäre dies mit keiner anderen Technologie möglich.“

zetamix

3 Halterungen, 3D-gedruckt von Mines Paris Tech

Verbessertes Management der Lieferkette

Der Einsatz der keramischen additiven Fertigung ermöglicht den Laboren auch eine bessere Verwaltung ihrer Lagerbestände sowie eine Optimierung ihrer Lieferkette. Dank der Zetamix-Lösung kann LMPCA 3D-gedruckte Tiegel für seine thermogravimetrischen Analysen nutzen. Bei diesen Analysen wird der Massenverlust eines Materials während des Sinterns kontinuierlich gemessen. Dieses Material wird in der Regel in einen Tiegel gegeben: dabei handelt es sich um ein kleines Teil, dessen Herstellung mit traditionellen Fertigungsverfahren oft teuer ist, weil diese aus Aluminiumoxid bestehen, um hohen Temperaturen standhalten zu können. Bei den Tiegeln handelt es sich üblicherweise aber um Einwegtiegel, da diese mit dem zu untersuchenden Material kontaminiert werden. Das Labor muss aus diesem Grund seine Bestände genau verwalten, um Engpässe zu vermeiden. Aus diesem Grund werden die Tiegel jetzt vor Ort 3D-gedruckt: Dadurch können die Herstellungskosten gesenkt und die erforderlichen Mengen zum richtigen Zeitpunkt produziert werden.

Das LMPCA verwendet Zetamix-Filamente außerdem zur Herstellung von Verbrauchsmaterialien, welche unter anderem in Dilatometern zur Anwendung kommen. Es handelt sich dabei um Geräte, die die Sintertemperatur der Keramik messen und mit Hilfe einer Kontaktsonde die Schrumpfung des Teils in Echtzeit berechnen. Während des Sinterzyklus kann diese Sonde und der Probenhalter jedoch verformt werden und sogar brechen, was die Messungen verfälscht. Das Labor entschied sich aus diesem Grund für den keramischen 3D-Druck. Die Teile können nun im eigenen Haus hergestellt werden, was eine bessere Verwaltung der Abläufe und Bestände ermöglicht. Zudem ermöglicht die additive Fertigung die Entwicklung von maßgefertigten Teilen für spezifische Anforderungszwecke.

Im Vordergrund: herkömmliche Dilatometrie-Verbrauchsmaterialien; im Hintergrund: 3D-gedruckte Verbrauchsmaterialien (Bildnachweis: Zetamix)

Die keramische additive Fertigung bietet spezialisierten Laboren und Forschungszentren daher mehr Flexibilität. Zetamix-Materialien eignen sich hervorragend für diese Logik und verfügen zudem über die erforderlichen mechanischen und chemischen Eigenschaften. Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite von Zetamix.

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