Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTSNeue Produkte mit Multi-Material-3D-Druck
Multi-Material-3D-Druck mit technischen Werkstoffen birgt riesige Potenziale. So lassen sich funktionalisierte oder funktionell gradierte Produkte innerhalb eines einzigen Prozesses ressourcenschonend drucken. Das verkürzt die Prozesskette signifikant und senkt die Herstellkosten verglichen mit herkömmlichen Fertigungsrouten. Um diese vielversprechende Technologie zu vermarkten, gründeten die Entwickler der Multi-Material-Jetting-Technologie am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS die AMAREA Technology GmbH. Seit Februar 2023 ist das Spin-off aktiv. Die Unternehmer treten als Systementwickler am Markt auf und vertreiben sowohl die Drucktechnik als auch die neu entwickelten Druckmaterialien. Die Möglichkeiten reichen dabei über technische Keramiken hinaus: Metalle, Hartmetalle, Gläser, Verbundwerkstoffe, Cermets und sogar Polymere können verarbeitet werden.
Der Multi-Material-3D-Druck mit Hochleistungswerkstoffen ist die nächste Stufe in der Additiven Fertigung und wird seit 2014 am IKTS entwickelt. In dieser Zeit konnte ein reichhaltiger Wissens- und Erfahrungsschatz erarbeitet werden. Über welches Potenzial die Multi-Material-Jetting-Technologie (MMJ) verfügt, wurde bereits mit aussagekräftigen Prototypen und verschiedensten Industriekunden erfolgreich demonstriert. Deshalb gründeten Steven Weingarten, Lutz Gollmer, Philipp Horn und Robert Johne im Februar 2023 die AMAREA Technology GmbH mit Sitz in Dresden. Ab sofort wollen sie MMJ kommerzialisieren und die 3D-Drucker in die Serie überführen. Unterstützt werden sie dabei vom Fraunhofer IKTS und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK im Rahmen des Förderprogramms EXIST-Forschungstransfer.
Schlüsselkomponente Druckmaterial
Die Entwicklung und der Vertrieb der Hightech-3D-Drucker ist – neben Druckmaterialien und Service – einer der drei Geschäftsbereiche. In der neusten Anlagengeneration können bis zu sechs Druckköpfe installiert werden. Das bedeutet, dass auch bis zu sechs unterschiedliche Materialien gleichzeitig miteinander kombinierbar sind. Diese müssen aufeinander abgestimmt sein – das langjährige Know-how des IKTS im Bereich Materialentwicklung kommt hier zum Tragen. In den letzten Jahren konnten so mehr als 15 Materialien und Materialkombinationen für die MMJ-Technologie qualifiziert werden. Die AMAREA Technology GmbH profitiert genau von dieser Expertise. So kann das Spin-off seinen Kunden eine Technologie an die Hand geben, die in einem einzigen Druckjob Multi-Material-Bauteile fertigt – angefangen von der Auswahl und Entwicklung des Druckmaterials bis hin zur Bauteilauslegung. Auch zukünftig werden das IKTS und AMAREA Technology eng zusammenarbeiten und das Thema Multi-Material weiter vorantreiben.
Mit Multi-Material-3D-Druck zu funktionalisierten und gradierten Bauteilen
Die großen Vorteile der additiven Fertigung liegen in der schnellen Realisierung von innovativen Ideen, der Designfreiheit und der weitgehenden Geometrieunabhängigkeit. Durch die Materialvielfalt beim Multi-Material-3D-Druck sind der Kreativität nun noch weniger Grenzen gesetzt. Es lassen sich Materialien mit definierten Eigenschaften herstellen und kombinieren, wie u. a. elektrisch leitfähig und elektrisch isolierend, dicht und porös, hart und duktil, mehrfarbig oder auch magnetisch und nicht magnetisch. So lassen sich funktionalisierte Bauteile oder ganze Baugruppen, etwa mit integrierter Sensorik oder Aktorik, innerhalb eines Prozesses drucken – und dies ganz ohne Querkontamination der einzelnen Materialien. Durch stufenweises Kombinieren von Materialien innerhalb einer Schicht und von Schicht zu Schicht mit definierten Eigenschaften, ist der 3D-Drucker darüber hinaus imstande, auch funktionell gradierte Übergänge, zum Beispiel Porosität, innerhalb eines Bauteils zu erzeugen.
Riesiges Anwendungspotenzial
Der Multi-Material-3D-Druck eröffnet Herstellern die Chance, Produkte noch besser als zuvor an die Bedürfnisse der Anwender anzupassen. Durch die Verkürzung der Prozesskette können zudem die Produktionszeiten und -kosten signifikant gesenkt, die Produktvielfalt erweitert sowie leistungsfähigere und robustere Bauteile oder Baugruppen hergestellt werden. Als Zielgruppen adressiert AMAREA Technology Entwickler und Hersteller von Komponenten aus Hochleistungswerkstoffen aus den verschiedensten Branchen wie Elektronik und Halbleitertechnik, Sonderwerkzeugbau, Automobiltechnik nebst Zulieferketten, Schmuck- und Uhrenindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder Energietechnik. Aber auch der Prototypenbau und Forschungseinrichtungen können von den Vorteilen des Multi-Material-3D-Drucks profitieren.
Mit Laser-Modul keine aufwendige Nachbearbeitung der gedruckten Bauteile
Mitte 2024 soll die neue 3D-Drucker-Generation auf den Markt kommen. Das modulare Anlagenkonzept bietet die Möglichkeit, den 3D-Drucker kundenspezifisch auszulegen. Mit bis zu sechs Druckköpfen, und damit bis zu sechs unterschiedlichen Materialien, erreicht der 3D-Drucker aktuell Bauteilgenauigkeiten von 70 bis 100 µm. Zur Inline-Prozesskontrolle können bis zu zwei Profilsensoren integriert werden, um die Prozessparametrisierung zu automatisieren und zukünftig die Bauteile noch im Druckvorgang geometrisch zu vermessen. Mit dem zukünftig optional erhältlichen Laser-Modul, das während des 3D-Drucks Material abträgt, poliert oder die Oberflächen strukturiert, werden Oberflächenrauhigkeiten von unter 1 µm erreicht. Damit entfällt die aufwendige Nachbearbeitung von Bauteilen. Hersteller können so ihre Fertigung hinsichtlich Zeit und Kosten weiter optimieren. Dazu tragen zukünftig auch weitere KI-Methoden zur Qualitätssicherung bei, wie eine Defekterkennung und eine automatische Anpassung der Prozessparameter während des Druckprozesses.
Produktivität steigern durch intelligente Pfadplanung
Je nach Bauteilgröße und -geometrie hängt der Erfolg der additiven Fertigung auch von der Produktivität ab, das heißt wie schnell ein Bauteil gedruckt werden kann. Aktuell liegt die Geschwindigkeit bei 8 bis 12 cm3/h pro Druckkopf. Angestrebt wird mit der neuen 3D-Druckergeneration mindestens eine Verdoppelung der Geschwindigkeit, was über eine intelligente Pfadplanung erreicht wird. Das bedeutet, die eigens entwickelte Software legt den optimalen Pfad für den Materialauftrag pro Schicht fest. Das spart nicht nur Zeit, sondern auch Energie.
Innovatorinnen und Innovatoren können AMAREA Technology auf der Formnext in Frankfurt vom 7.-10. November 2023 in Halle 12.1 am Stand 121-B39A treffen und sich über das Thema Multi-Material-3D-Druck informieren.