Additive Fertigung 3D-gedruckte Keramik für die Elektronikfertigung

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Isolierend, temperaturbeständig und mit geringem dielektrischem Verlust sind nur drei Eigenschaften von technischer Keramik für den 3D-Druck. Dieser ermöglicht mehr Geometrien und die Verarbeitung ist einfacher als mit konventionellen Verfahren.

Viele Komponenten, die heute aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden, könnten schon bald aus dem Keramik-3D-Drucker kommen. Denn die Wahl des Werkstoffs fiel teilweise nicht wegen dessen technischer Eigenschaften auf Metall oder Kunststoff, sondern weil diese Materialien leichter zu verarbeiten sind als Keramik. Das ändert sich mit Additiver Fertigung. So sind beispielsweise feine Geometrien und den Hohlstrukturen möglich, die mit den fragilen Grünteilen konventioneller Verfahren schwer umsetzbar bis unmöglich waren. Nur Bohrungen bis 0,2 mm sind im 3D-Druck schwierig. Auch haben die Keramikbauteile weder scharfe Kanten noch vorstehende Elemente. Das liegt allerdings am Werkstoff, denn dieser bricht leicht.

Keramik: elektrisch isolierend, federnd, hitzeresistend

Der Werkstoff Keramik ist verschleißärmer als Metalle und federnd. Die Eigenschaften temperaturbeständig, elektrisch isolierend, chemisch resistent, verschleißfest, sterilisierbar und kratzfest sprechen für medizintechnische Anwendungen. Keramik fühlt sich wesentlich angenehmer und nicht so kalt wie Metall an und ist zudem auch biokompatibel und korrosionsbeständig. Das macht sie zu einem guten Material für Anwendungen im und am Körper.

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Oxidkeramiken wie Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Zirkoniumdioxid (ZrO₂) werden am häufigsten 3D-gedruckt. Unter anderem weil sie zumeist billiger und einfacher zu verarbeiten. Aber auch, da sich Zirkonium mit einer hohen Verschleißfestigkeit, Härte und Elastizität gut für Ventile, Lager und Komponenten für Hochleistungsumformtechnik eignet.

Die Aluminium-Legierung wird gerne für Gehäuse sowie medizinische Implantate und Geräte verwendet wird. Sie ist nicht nur biokompatibel, sondern auch chemikalienbeständig, isoliert gut und hat eine geringe Dichte. Alumiumoxid eignet sich auch für Anwendungen mit hohen Temperaturen, großer Festigkeit und hoher Steifigkeit. Nahezu alle großen Hersteller von Keramik-3D-Druckern entwickeln und verkaufen Zirkonoxid und Aluminiumoxid für die Additive Fertigung.

Eine weitere Oxidkeramik ist Magnesiumtitanat (MT). Man findet sie eher selten für die additive Fertigung. Durch ihre hohe Dielektrizitätskonstante und ihren geringen dielektrischen Verlust, eignet sie sich für Millimeterwellenanwendungen wie Antennen, Wellenleiter und andere elektronische Komponenten.

Weniger verbreitet sind Nichtoxidkeramiken wie Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid. Das liegt an den höheren Kosten und sie es ist schwieriger mit ihnen zu drucken. Einsatzfelder für beispielsweise Siliziumnitrid sind Isolatoren oder Federn. Da sie mit ihrer hohen Hitze- und Korrosionsbeständigkeit auch für extreme Umgebungen geeignet sind, bieten immer mehr Unternehmen Nichtoxidkeramiken für den 3D-Druck an.

Biokeramiken werden im Körper verwendet und stimulieren die Zellaktivität. In den vergangenen Jahren wurde viel mit ihnen geforscht, da durch sie implantierbare Geräte herstellbar werden, die nicht nur ungiftig sind, sondern dem Körper auch aktiv bei der Selbstheilung helfen. Die beiden am meisten erforschten Biokeramiken für den 3D-Druck sind Hydroxylapatit (HA) und Trikalziumphosphat (TCP)

Keramiken gibt es als Harze, Filament, Granulat und Pulver. Allein diese Auswahl spricht bereits für eine breite Palette an additiven Verfahren.

Die Druckverfahren: mit Laser, Extruder oder Bindemittel

Die Stereolithografie (SLA) ist das älteste additive Verfahren. Bauteile entstehen, in dem ein Laser flüssiges Harz aushärtet. Sind Stützstrukturen notwendig, werden sie im gleichen Material hergestellt, aber mit weniger Laserenergie. Auf SLA für Keramik hat sich zum Beispiel 3DCeram spezialisiert. Aber auch 3D Systems und Formlabs vertreiben Keramikharze für ihre SLA-Maschinen. Ebenfalls mit Harzen arbeitet das DLP-Verfahren. Beim Digital Light Processing (DLP) ist es nicht ein Laser, sondern ein digitaler Lichtprojektor, der über Mikrospiegel den Lichtstrahl lenkt. Das bekannteste Unternehmen in diesem Verfahren ist Lithoz.

Ein zur Materialextrusion gehörendes Verfahren ist LDM (Liquid Deposition Modeling). Ähnlich wie beim 3D-Druck mit Filament wird das Material aus einem Extruder in Schichten abgelegt. LDM gilt als die preisgünstigste Technik für Keramik, da hier viel mit Füllmaterialien gearbeitet wird. Der Hauptvertreter ist das italienische Unternehmen WASP. Auch mit dem FFF- (Fused Filament Fabrication) oder FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) kann Keramik verarbeitet werden.

Mit Keramikpulver arbeiten beispielsweise die Maschinen von Xjet. Ihr Verfahren heißt Nanoparticle Jetting (NPJ). Dabei werden 5 bis 6 µm kleine Partikel mit einer Art Bindemittel vermischt auf eine heiße Bauplattform aufgetragen. Ebenfalls mit Keramikpulver arbeitet das Binder Jetting. Dabei wird Keramikpulver mit einem Bindemittel verklebt. Führende Anbieter sind Exone und Voxeljet.

Die Anwendungen: von Antennen, Sensoren und Chips

Aus technischer Keramik werden unter anderem Kühlkörper für die Leistungselektronik gefertigt, Pumpen, Ventile und Dichtungen. Außerdem ist Keramik ideal für (Mikro-)Elektronik, Spindeln, Zahnräder oder federnde Elemente. Mit 3D-gedruckten Sensoren und Mikrosensoren werden beispielsweise Druck, Beschleunigung, Temperatur, Puls, Schwingungen, Flüssigkeitszustände oder Feuchtigkeit gemessen.

Die Lüneburglinse, gedruckt von Xjet aus Keramik mit feinsten Gitterstrukturen, ermöglicht eine Auto-zu-Auto-Kommunikation – ohne 5 oder 6G. Dabei erfasst sie alle ebenfalls mit der Linse ausgestatteten Autos in einem Radius von 400 m.

Alumina Systems hat einen keramischen Verteilerring für die Halbleiterchipbeschichtung entwickelt, der das Produktionsvolumen der Chips im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen verdreifachen soll. Die im Ring integrierten Keramikdüsen wurden aus Al2O3 im DLP-Verfahren gedruckt. Mit subtraktiver Fertigung ist das Design der Düse nicht herstellbar. Der gesamte Ring wurde auf eine Vakuumdichtheit bis 10-8 mbar-L/s getestet.

Für ihren selektiven Dosierinhalator druckte Syqe Medical einen Prototyp aus PEEK. Denn neben hochpräzise, hochtemperaturbeständige und elektrisch-isolierend, war auch Hitzebeständigkeit ein wichtiger Faktor. Doch die Designprozesse waren mit dem Kunststoff eingeschränkt und erforderten viele Anpassungen. Dadurch würden die Produktionskosten steigen, die Lieferzeiten länger und die Haltbarkeit des Produkts wäre trotzdem nicht gegeben. Also entschied man sich für Keramik-3D-Druck.

Die Herausforderungen: von Software über Reinigung bis Sintern

Allerdings gibt es noch ein paar Stolpersteine. Wo ein Bindemittel verwendet wird, wird auch entbindert. Tatsächlich werden alle Keramikbauteile wärmebehandelt, egal mit welchem Verfahren sie gedruckt wurden. Keramik hat einen Schrumpffaktor von 20 %. Der muss bereits in der Konstruktion berücksichtigt werden. CAD-Programme sind hier nur bedingt hilfreich, da sie noch nicht auf die additive Verarbeitung von Keramik ausgelegt sind. Für die meisten Anwender bedeutet jedes neue Bauteil ein Trial-und-Error-Spiel. Weil sich die Geometrie beim Sintern auch unterschiedlich verziehen kann, empfiehlt es sich mit Stützstrukturen zu arbeiten.

Zwischen Druck und Sintern liegt das Reinigen. Grünteile aus Keramik sind sehr weich. Hier kann beispielsweise mit Druckluft gearbeitet werden. Die danach noch am Bauteil anhaftenden Reste des Rohmaterials lassen sich mit einer Bürste vorsichtig entfernen.

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