CerAMfacturing: Multimaterialbauteile aus leitfähigem und isolierendem Si₃N₄-SiC-MoSi₂

Additive Fertigung funktionaler Bauteile

Um den immer höheren Anforderungen an die Funktionalisierung und Miniaturisierung von Bauteilen gerecht zu werden, ist es notwendig, verschiedene Werkstoffe in Bauteilen mit hochkomplexen Geometrien zu kombinieren. Additive Fertigungstechnologien (AM) erlau­ben hierbei erstmals Eigenschaftskombinatio­nen wie dicht/porös oder elektrisch bzw. ther­misch leitend und isolierend in einem Bauteil. Für die Herstellung von Multimaterialbauteilen eignen sich besonders AM-Technologien auf Basis thermoplastischer Bindersysteme, bei denen die Werkstoffe nur an den Stellen auf­gebracht werden, an denen sie benötigt wer­den. Diese AM-Technologien bieten zudem die Möglichkeit, ein nahezu unbegrenztes Material­portfolio zu verarbeiten.

Elektrisch leitende und isolierende Eigen­schaften in einem Bauteil

Elektrisch leitfähiges Siliciumnitrid ist eine hoch­temperaturstabile Mischkeramik. Sie besteht aus Siliciumnitrid (Si₃N₄), einer oxidischen Korngrenzenphase sowie einer oder mehreren elektrisch leitfähigen Komponenten, z. B. TiN, SiC oder verschiedene Metallsilicide. Bereits durch eine geringe Änderung der Zusammen­setzung kann ein leitfähiger oder ein nichtleit­fähiger Werkstoff hergestellt werden. Durch Kombination von elektrisch leitfähigem und nichtleitfähigem Si₃N₄-SiC-MoSi₂ können komplexe hochtemperaturgeeignete keramische Sensoren, Heizer und Zünder in nur einem Herstellungsschritt additiv gefertigt werden, die bei Temperaturen bis über 1000 °C einsetzbar sind (Bilder 1–3). Am Fraunhofer IKTS stehen hierfür verschiedene AM-Technologien zur Verfügung.

Verfahrensvielfalt am Fraunhofer IKTS

Multi Material Jetting (CerAM MMJ) ist ein am Fraunhofer IKTS entwickeltes tropfenbasiertes Verfahren, mit dem Bauteile aus einem oder mehreren Werkstoffen gleichzeitig durch Ver­schmelzen von thermoplastischen Einzeltrop­fen, direkt nach der selektiven Ablage, herge­stellt werden können. Die CerAM MMJ-Tech­nologie wird derzeit im Rahmen eines Exist Forschungstranferprojekts (03EFQSN180) des BMWK in Form einer IKTS-Ausgründung kom­merzialisiert. Die Ausgründung wird unter dem Namen AMAREA Technology GmbH als Sys­temanbieter für MMJ-3D-Drucker und den zugehörigen Druckmaterialien sowie Ser­vice-Dienstleistungen ab 2023 auf dem Markt auftreten.

Bei der Fused Filament Fabrication (CerAM FFF) werden homogene, hochgefüllte Endlosfila­mente aufgeschmolzen und linienbasiert abge­legt. Das Fraunhofer IKTS entwickelt kunden­spezifische Endlosfilamente mit der Partikelfül­lung verschiedenster keramischer Sinterwerk­stoffe. Die vorhandene Anlagentechnik verfügt über einen Dual-Druckkopf und bietet somit ebenfalls die Möglichkeit mehrkomponentige, funktionale Bauteile zu fertigen (Bild 3).

Leistungs- und Kooperationsangebot

• Bauteilentwicklung (Design und Fertigung) auf Basis verschiedener AM-Verfahren und Werkstoffe
• Filamententwicklung und -vertrieb für CerAM FFF