Den Experten am Steinbeis-Transferzentrum Hochleistungskeramik ist die Herstellung keramischer Bauteile im 3D-Drucken, einem speziellen Rapid Prototyping-Verfahren, gelungen. Keramische Modelle und Bauteile aus den verschiedensten keramischen Rohstoffen wurden ausgehend von CAD-Konstruktionen und 3D-Scans von Objekten hergestellt. Die besten Resultate lieferte Aluminiumoxid (Al2O3) als Rohstoff. Dieses Material analysierten die Steinbeis-Mitarbeiter im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt deshalb genauer im Hinblick auf die Möglichkeiten des 3D-Druckens keramischer Objekte.
Erwartungsgemäß besaßen die gedruckten Bauteile eine dem schichtweisen Aufbau und dem Zusammenkleben der einzelnen Granulate entsprechende hohe Porosität. Dadurch konnte nur ein recht geringes Festigkeitsniveau erreicht werden. Verfahrenstechnisch bedingt waren die Eigenschaften der Bauteile abhängig von der Orientierung des Bauteils im Druckraum. So ergaben sich in z-Richtung des Schichtaufbaus die geringsten (ó0=5 MPa), in x-Richtung des Druckerverfahrweges mittlere (ó0=10 MPa) und in y-Richtung des Druckkopfverfahrweges die höchsten Festigkeiten (ó0=20 MPa). Da die klebende Komponente nicht über den Druckkopf eingebracht werden konnte, wurde sie als Trockenpulver in das keramische Pulver eingemischt. Die Druckerflüssigkeit bestand aus Wasser als Hauptkomponente.
Die technischen Einsatzfelder von 3D-gedruckten Keramikkörpern liegen beispielsweise in den Bereichen Filtration und Knochenersatz. Auch Bauteilkonstruktionen sind machbar, die mit ande- ren traditionellen keramischen Verfahren nicht umgesetzt werden können. Darüber hinaus können diese Keramiken als verschleißfestere Kompositwerkstoffe nach Infiltration beim Schmelzen eingesetzt werden.
Rasterelektronische Bilder des Materials zeigen ein homogenes Gefüge mit Kristallen, die sehr gut miteinander verwachsen erscheinen und Poren zwischen 1 und 5 μm Größe haben. Die Werte für die mittlere Festigkeit ó0 und den Weibullmodul m ermittelten die Steinbeis-Experten mittels der Methoden Regression und Maximum Likelihood. Die Verwendung kommerzieller Rohstoffe hat zu vergleichbar geringen Gründichten und Festigkeiten geführt.
Die Ergebnisse der Steinbeis-Forschungsarbeit bestätigen die Resultate anderer Forschungsgruppen, die ebenfalls mit diesem oder ähnlichen Verfahren gearbeitet haben. Selbst aufwendige Pulveraufbereitungen mit Beschichtungen der Granulatoberflächen mit dünnen Kleberschichten (Coating) haben nicht zu höheren Gründichten und Festigkeiten geführt.
Optimale Rohstoffe für den 3D-Druckprozess sind momentan noch nicht kommerziell erhältlich, sie müssen extra in eigenen Aggregaten und Labors hergestellt werden. Die Klebereinbringung über das Pulver ist bisher ebenfalls nicht optimal. Geeigneter erscheinen Verfahren, die den Kleber über die Druckertinte liefern können. Das bedeutet, dass die Verwendung anderer Drucker, beispielsweise mit Tropfenerzeugung über Piezokeramik, zu einem breiteren Tintenspektrum führen könnte.
Die Weiterentwicklung des 3D-Druckens hinsichtlich höherer Gründichten und Festigkeiten und der von der Raumrichtung unabhängigen homogenen Festigkeit ist ein Ziel zukünftiger Forschungsprojekte. Sollte das 3D-Druckverfahren tatsächlich einmal zur Herstellung keramischer Prototypen im Hochleistungsbereich eingesetzt werden, müssen die hergestellten Bauteile mit denen der Bauteile aus traditionellen Verfahren vergleichbar sein. Mit den gewonnenen Erkenntnissen tragen die Steinbeis-Experten dazu bei, mithilfe eines neuen Anlagen- und Verfahrenskonzepts den gesetzten Zielen wesentlich näherzukommen. Dabei sollen auch wichtige Verfahrensparameter zugänglich gemacht werden und keine Einschränkung mehr auf eine einzige Druckertechnologie bestehen.
Prof. Dr. Manfred Schumacher
Steinbeis-Transferzentrum Hochleistungskeramik Vallendar