Keramiken

Keramische Werkstoffe und deren Zusammensetzung

Bauteile aus keramischen Werkstoffen lassen sich durch alle gängigen additiven Verfahren herstellen, selbst aus dichten und porösen Keramiken, wie aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zeigen. Mit Ausnahme des selektiven Lasersinterns schließt sich nach der additiven Formgebung ein konventioneller thermischer Prozess zur Entbinderung und Sinterung an. Die additive Fertigung von Keramiken dient vor allem zur Herstellung funktionaler Komponenten in Form von Prototypen, Kleinserien oder individueller Bauteile, ist aber im Vergleich zu Polymeren und Metallen mit weitaus größeren werkstofflichen und technologischen Herausforderungen verbunden. Die Werkstoffauswahl richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen der gewünschten Anwendung: Neben den Oxidkeramiken (z. B. Al₂O₃, ZrO₂), Nitriden (z. B. Si₃N₄, AlN) Carbiden (z. B. SiC, TiC) lassen sich auch silikatkeramische Bauteile (z.B. Cordierit, Porzellan) oder bioaktive Keramiken (Ca-Phosphate) sowie Keramikbauteile aus Verbundwerkstoffen oder mit gradiertem Werkstoffgefüge additiv aufbauen.

Aktuelle Entwicklungen

Formkörper aus bioaktiver Keramik

Mittels 3D-Pulverdruckverfahren werden komplex geformte, individuelle Bauteile aus Hydroxylapatit (HAP) hergestellt. Voraussetzungen für die Generierung von HAP-Formkörpern sind die Modifizierung des Ausgangspulvers und die Anpassung des Bindersystems bzw. der Druckflüssigkeit. Nach der Sinterung der gedruckten Keramiken sind diese als bioaktives Implantat einsetzbar. Die applikationsrelevanten Formkörper in den Bildern 1 und 2 belegen die Leistungsfähigkeit dieses additiven Verfahrens für die Fertigung komplexer dreidimensionaler Hydroxylapatit-Strukturen für bioaktive Implantate. Kanäle und Makroporen können über den Druckprozess realisiert werden, während die Mikroporosität durch das Ausgangspulver und die Sinterbedingungen eingestellt werden kann. In gleicher Weise wie für HAP können bioaktive Keramikformkörper aus anderen Calciumphosphaten hergestellt werden.

3DP-HAP	3DP-HAP Unterkiefer

Bild 1	Bild 2

Festigkeitssteigerung bei lasergesinterten SiC

Für den Werkstoff SiSiC wird eine Prozesskette genutzt, bei der der Formkörper mittels selektiven Lasersintern aus dem Pulverbett generiert wird und anschließend durch Pyrolyse- und Infiltrationsschritte das SiSiC-Werkstoffgefüge erzeugt wird. Wie für alle additiven Verfahren gilt auch für das Lasersintern, dass die erreichbaren Werkstoffeigenschaften der Keramik einem kritischen Vergleich mit den Eigenschaften standhalten müssen, die mit konventionellen Herstellungsverfahren erzielt werden. Werden an den spezifischen Prozess angepasste SiC-Ausgangspulvermischungen verwendet und außerdem Kohlenstoff-Pulver zugesetzt, so lassen sich mit der eingangs genannten Prozesskette über Lasersintern Werkstoffeigenschaften (Festigkeit, E-Modul) erzielen, die auf demselben Niveau liegen, wie sie mit herkömmlichen Verfahren erreicht werden. Diese verfahrens- und werkstoffseitige Entwicklung ist die Basis für die Herstellung anwendungsrelevanter SiC-Bauteile mittels Lasersintern.

Werkzeugeinsatz für Kunststoffspritzguss

Innere Kühlkanäle und eine komplex strukturierte Oberfläche kennzeichnen einen Spritzguss-Werkzeugeinsatz aus SiSiC, der mit selektiven Lasersintern (SLS) hergestellt wurde. Die SiSiC-Keramik schwindet nicht während des Herstellungsprozesses, so dass eine hohe Konturgenauigkeit ohne Nachbearbeitung erreicht wird. Durch eine Kombination des klassischen SLS-Verfahrens und des Lasermikrosinterns (in Kooperation mit der Hochschule Mittweida) ist ein hybrider Aufbau des Bauteiles möglich. Bereiche der Werkzeugoberfläche können mit geringer Schichtdicke so generiert werden, dass sie eine hohe Oberflächengüte, hohe Festigkeit und Detailgenauigkeit aufweisen. Der Grundkörper kann dagegen mit größeren Schichtdicken kosten- und zeitsparend aufgebaut werden. Der keramische Werkzeugeinsatz für das Spritzgießen von Kunststoff zeichnet sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit und lange Standzeit aus.

Unsere Leistungen

Herstellverfahren für keramische Werkstoffe

Die Institute des Kompetenzfelds entwickeln pulverbasierte Herstellungsverfahren für keramische Komponenten und Systeme. Im Labor- und Technikumsmaßstab werden prototypische Lösungen erarbeitet, Kleinserien gefertigt und bei Bedarf in eine Pilottechnologie übertragen.

Wertschöpfung reicht dabei von der Aufbereitung von Pulvern und Rohstoffen, über die Formgebung, Sinterung, Bearbeitung im grünen und gesinterten Zustand bis hin zu Verbindungs- und Integrationstechniken. Neben den direkten additiven Verfahren werden Formgebungstechnologien wie Pulverspritzguss, oder Vakuumgießen in Kombination mit Rapid-Prototyping-Prozessketten genutzt.

Lasersintern keramische Werkstoffe

Im Kompetenzfeld sind die Arbeiten zum Lasersintern aus dem Pulverbett fokussiert auf die Entwicklung von Funktionsmustern für ausgewählte Keramikwerkstoffe sowie verfahrensseitige und werkstoffliche Machbarkeitsstudien. Das Lasersintern wird allem für keramische Materialien qualifiziert, die sich nach dem additiven Prozess durch Reaktionssintern oder Glasinfiltration weiter verdichten lassen.

Mit angepassten Prozessparametern werden funktionale Prototypen gefertigt, welche sich durch hohe Formentreue und Maßgenauigkeit auszeichnen. Das Beispiel des Werkstoffes SiSiC zeigt, dass die Werkstoffeigenschaften lasergesinterter Keramikbauteile auf dem selben, hohen Niveau liegen können, wie die der der konventionell hergestellten Keramiken.

Dreidimensionale Drucktechnik (3D-Druck) für keramische Werkstoffe

Für das 3D-Drucken aus dem Pulverbett werden geeignete Binder und Druckflüssigkeiten entwickelt sowie die Keramikpulver für den Druckprozess konditioniert. Prozess- und werkstoffseitige Entwicklungen sind auf die Herstellung komplexer Formkörper gerichtet, die nach der Sinterung je nach Applikationsanforderungen ein dichtes oder poröses Werkstoffgefüge aufweisen.

Mit einem innovativen Verfahrens- und Anlagenkonzept unter Nutzung hochdisperser, keramischer Suspensionen sollen neue Anwendungspotentiale für die 3D-Drucktechnik erschlossen und dichte Keramiken mit exzellenten Werkstoffeigenschaften hergestellt werden.