Additive Fertigung

Fertigung

 

Pulverbasierte Methoden gehen zumeist von einem Pulverbett aus, in dem sich die Pulver als gut rieselfähige und rakelfähige Granulate befinden und von dem aus eine lagenweise Verfestigung der Pulverpackung erfolgt. Die entstehenden Bauteile zeichnen sich dabei größtenteils durch eine poröse Struktur aus.
Im Fall suspensionsbasierter Fertigungsmethoden liegen die Ausgangmaterialien in Form von Suspensionen, Pasten, Tinten oder Halbzeugen wie thermoplastischen Feedstocks, Grünfolien oder Filamenten vor. Da die Partikelverteilung des Pulvers einer Suspension homogener ist als in einem Pulverbett, werden über diese Formgebungsmethoden höhere Gründichten erreicht, die dann im gesinterten Bauteil zu einem dichten Gefüge und einer geringeren Rauigkeit der Oberfläche führen.
Typisch für alle additiven Fertigungsverfahren im Bereich keramischer Bauteile ist, dass im Nachgang zum additiven Bauprozess Wärmebehandlungsschritte wie Entbinderung und Sinterung angeschlossen werden müssen, die dem Bauteil seine finalen keramischen Eigenschaften verleihen.

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Drahtziehdüse aus Hartmetall mit integriertem Kühlkanal.
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Binder Jetting einer Wabe mit inneren Querkanälen.

Binder Jetting (BJ)

 

Das bekannteste additive Fertigungsverfahren ist das Binder Jetting. Analog zu einem konventionellen Tintenstrahldrucker wird eine Flüssigkeit über einen Druckkopf auf die Pulverschicht dosiert, wobei durch die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit, Pulver und Binder eine punktuelle Verfestigung erfolgt. Der Binder kann dabei entweder in der Flüssigkeit oder direkt im Pulver enthalten sein. Die Dichte der gedruckten Grünkörper ist relativ gering. Somit bietet das Verfahren insbesondere da Vorteile, wo eine Porosität explizit gewünscht ist – beispielsweise bei bioaktiven Keramikstrukturen aus Hydroxylapatit. Ebenso lassen sich Bauteile für Filtrationsanwendungen und Katalysatorträgerstrukturen oder komplexe Keramikkerne und -formen für den Feinguss herstellen. Die Bandbreite der Materialien ist groß – neben oxidischen und nichtoxidischen Keramiken können Gläser, Hartmetalle und Metalle in Pulverform über Binder Jetting verarbeitet werden.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Entwicklung von Granulaten mit geeigneter Rieselfähigkeit
  • Materialauswahl und keramikgerechte Bauteilkonstruktion
  • Bauteilentwicklung auf Basis kundenspezifischer CAD-Files

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© Fraunhofer IKTS.
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Selektives Lasersintern einer Mikroturbine aus SiC.
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Selektives Lasersintern (SLS)

 

Beim selektiven Lasersintern erfolgt die Verfestigung des Pulvers durch einen Laserstrahl. Ausgangspunkt ist eine Pulverschicht, die mittels einer Rakel aufgebracht wird. Um ein dichtes Werkstoffgefüge zu erreichen, enthält das Keramikpulver eine flüssigphasenbildende Komponente (z. B. Al2O3/SiO2).
Darüber hinaus kann das Lasersintern, ebenso wie alle anderen additiven Verfahren, auch nur für die Formgebung des keramischen Grünkörpers genutzt werden. So lassen sich beispielsweise komplexe SiC-Bauteile herstellen, die anschließend mit den üblichen thermischen Nachbehandlungsschritten in SiSiC überführt werden. Die Werkstoffeigenschaften der Bauteile liegen dabei auf demselben Niveau wie sie mit konventioneller Technologie (Pressformgebung, Grün- und Finishbearbeitung) erreicht werden.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Materialauswahl und Pulveraufbereitung
  • Bauteilentwicklung auf Basis kundenspezifischer CAD-Files

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Hybride Fertigung komplexer Knochenstrukturen.
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Vat Photopolymerisation (VPP)

 

Dieses speziell für die Additive Fertigung von Keramiken entwickelte Verfahren arbeitet nach dem sogenannten Digital-Light-Processing-Prinzip. Das Fraunhofer IKTS nutzt hierfür die Anlagen CerFab7500 und CeraFab8500 der Lithoz GmbH. Analog zur Stereolithographie erfolgt mit Licht einer definierten Wellenlänge eine radikalische Polymerisation des Bindersystems, wodurch die Suspension verfestigt wird. Über ein DLP-Modul wird die Suspension selektiv mit blauem Licht bestrahlt, wodurch alle zu vernetzenden Bereiche einer Ebene gleichzeitig belichtet werden. Dies führt zu einer hohen Produktivität. Die erreichbaren Dichten nach der konventionellen Wärmebehandlung der additiv hergestellten Grünkörper betragen für Al2O3 mind. 99,4 % der theoretischen Dichte und für ZrO2 mind. 99,0 %.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Entwicklung von lichthärtbaren Suspensionen aus kundenspezifischen Pulvern
  • Keramikgerechte Bauteilkonstruktion
  • Bauteilentwicklung auf Basis kundenspezifischer CAD-Files

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Multi Material Jetting (MMJ)

 

Das Multi Material Jetting (MMJ) beruht auf einer unikalen Technologie- und Anlagenentwicklung am Fraunhofer IKTS, mit deren Hilfe entscheidende Grenzen bestehender Verfahren überwunden werden können. Im Fokus steht dabei die Herstellung größerer keramischer Grünkörper, die Funktionalisierung durch Einsatz verschiedener Materialien sowie eine signifikante Erhöhung der Baugeschwindigkeit.

MMJ zeichnet sich gegenüber anderen Verfahren dadurch aus, dass unabhängig von der Materialauswahl mehrkomponentige und/oder gradierte Bauteile hergestellt werden können. Das Verfahren basiert auf der Verwendung von partikelgefüllten thermoplastischen Massen mit niedriger Schmelztemperatur (80 – 100 °C), wobei die Viskosität der Ausgangsmassen relativ gering ist. Das Material wird dabei analog zu den Fused-Deposition-Modeling-Ansätzen im Polymerbereich nicht vollflächig aufgetragen, sondern nur an den benötigten Stellen. Mehrere heizbare Dosiereinheiten, die in allen drei Raumrichtungen angesteuert werden, bewegen sich über eine feststehende Plattform. Die thermoplastische Masse wird durch Wärmezufuhr in einen fließfähigen Zustand überführt, an der gewünschten Stelle abgeschieden und erstarrt sofort wieder bei Abkühlung.

Dadurch erfolgt die Verfestigung der Masse nahezu unabhängig von den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Pulver. Es können mehrere Vorratsbehälter und Dispenseinheiten verwendet werden und somit unterschiedliche Materialien, wie z. B. auch Stützstrukturen, ortsaufgelöst in einem Bauteil abgeschieden werden.

MMJ erweitert die technologischen Grenzen der Additiven Fertigung in der Keramik und ist somit in der Lage, das Einsatzspektrum in verschiedensten Zielbranchen erheblich zu steigern.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Entwicklung und Charakterisierung geeigneter thermoplastischer Massen aus kundenspezifischen Pulvern
  • Materialauswahl für Mehrkomponentensysteme und Entwicklung schwindungsangepasster thermoplastischer Massen
  • Entwicklung von Co-Sinterrouten für Mehrkomponenten-systeme
  • Bauteilentwicklung auf Basis kundenspezifischer CAD-Files
  • Entwicklung von Fertigungssystemen

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FFF-Herstellung keramischer Komponenten.
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Fused Filament Fabrication (FFF)

 

Fused Filament Fabrication basiert analog zum MMJ ebenfalls auf hochgefüllten thermoplastischen Massen, die aber deutlich höhere Viskositäten aufweisen. Diese Massen werden als Filamente den einzelnen Druckköpfen zugeführt, dort aufgeschmolzen und als Strang abgeschieden. Die Verfestigung erfolgt infolge der Abkühlung der Massen. Durch den selektiven Auftrag der Materialien über die verschiedenen Druckköpfe können unterschiedlichste Material- und Eigenschaftsgradienten im Bauteil erreicht werden. Auch wenn bei diesem Verfahren nur relativ geringe Auflösungen erzielt werden können, überzeugt es durch einen sehr großen Bauraum, eine hohe Produktivität sowie eine große Materialvielfalt. Zudem lassen sich keramische Fasern in die Filamente integrieren, sodass eine Additive Fertigung von CMCs möglich wird.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Entwicklung und Charakterisierung thermoplastischer Massen aus kundenspezifischen Pulvern
  • Herstellung von Filamenten aus thermoplastischen Massen
  • Materialauswahl für Mehrkomponentensysteme und Entwicklung schwindungsangepasster thermoplastischer Massen
  • Bauteilentwicklung auf Basis kundenspezifischer CAD-Files

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Laminated Object Manufacturing (LOM)

 

Laminated Object Manufacturing wurde ursprünglich für den Aufbau elektrokeramischer Komponenten (Multilayerkondensatoren, Stapelaktoren) und für die Herstellung keramischer Multilagensubstrate (LTCC, HTCC) in der Mikroelektronik entwickelt. Im Kontext der Additiven Fertigung wird die LOM-Technologie für den Aufbau dreidimensionaler Mikrokomponenten mit integrierter Funktionalität genutzt. Basis dafür sind (glas)keramische Folien, die mittels kontinuierlichem Tape-Casting-Verfahren hergestellt werden. Hierfür stehen am Fraunhofer IKTS verschiedene Gießmaschinen zu Verfügung.

Nach dem mechanischen bzw. laserbasierten Strukturieren der einzelnen Lagen werden diese mit funktionellen Pasten oder Tinten bedruckt (siehe Abschnitt »Funktionalisierung«) und miteinander verpresst. Das anschließende Co-Firing, d. h. das Sintern aller im Mehrlagenaufbau enthaltenen Materialien in einem Schritt, stellt unter Volumenschwindung die gewünschten Komponenteneigenschaften ein. Dafür sind jedoch besondere Anforderungen hinsichtlich der Kompatibilität der verwendeten Materialien im Hinblick auf Schwindung, Sinteratmosphäre, chemische Kompatibilität oder thermische Ausdehnung zu berücksichtigen.

 

Leistungs- und Kooperationsangebot

 

  • Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung applikationsspezifischer Tinten, Pasten und Folien
  • Komponentenauslegung, -entwicklung, -charakterisierung
  • Elektrische Aufbau- und Verbindungstechnik
  • Technologieentwicklung und -optimierung sowie Upscaling

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