Additive Fertigung von technischer Keramik Keramischer 3D-Druck auf dem Weg zur Serienreife

Bei der additiven Fertigung hochkomplexer und filigraner Keramikstrukturen ist jeder Schritt der gesamten Prozesskette entscheidend. Als Engineering Partner unterstützt Bosch Advanced Ceramics bei der erfolgreichen Umsetzung von der Idee bis zur Serie.

Elektrisch isolierend, hochtemperaturbeständig und chemisch inert: Dies sind nur einige Eigenschaften von technischen Keramiken, die ihren Einsatz in elektronischen und elektrischen Anwendungen prädestinieren. Vor allem, wenn es um die Fertigung sehr komplexer und zugleich filigraner Keramikstrukturen geht, deren geometrische Details eine hohe Maßhaltigkeit besitzen sollen, ist der 3D-Druck ein geeignetes Herstellungsverfahren. Ein Alleinstellungsmerkmal der additiven Fertigung ist die Möglichkeit, auch innenliegende Strukturen herzustellen. Dabei sind den Gestaltungsmöglichkeiten von Kanälen, Hinterschnitten oder Öffnungen kaum Grenzen gesetzt. Gerade hier reicht es nicht aus, den Druckjob optimal zu beherrschen. Auch die vor- und nachgelagerten Prozesse erfordern großes Know-how, um sichere und langlebige Produkte zu fertigen.

Jeder Schritt von der Idee bis zum fertigen Bauteil zählt

Eine Besonderheit von Keramikbauteilen ist, dass sie nach der Formgebung einen thermischen Prozess durchlaufen müssen. Beim Sintern verdichtet sich der Rohling zur festen Keramik, was als Schwinden bezeichnet wird und eine Verkleinerung des Bauteils auf sein Endmaß nach sich zieht. Dabei findet der Verzug nicht unbedingt in jede Raumrichtung beziehungsweise für jede Geometrie im gleichen Maß statt.

Die Schwindung muss bereits beim Design des Bauteils berücksichtig werden; grundlegend für die erfolgreiche Umsetzung ist somit bereits die Erstellung Keramik-gerechter CAD-Modelle. Aber auch jeder weitere Schritt in der Prozesskette ist entscheidend für einen funktionsfähigen Prototypen.

Bosch Advanced Ceramics unterstützt seine Kunden mit seiner Expertise nicht nur als Komponentenfertiger sondern auch als Engineering Partner. Prozessexperten wählen das geeignete Material-Binder-System aus und bereiten es für den Druckjob vor. Ein für den 3D-Druck ausgelegtes Design berücksichtigt eventuelle Stützstrukturen, die dabei helfen, den Verzug gering zu halten. Auch das Entbindern, der thermische Prozess an sich, sowie die Nachbehandlung entscheiden über die Zuverlässigkeit und Qualität des Endprodukts.

Zusammen mit BASF und dem Karlsruher Institut für Technologie hat Bosch Advanced Ceramics einen Mikroreaktor für die chemische Industrie hergestellt.

Das Bauteil besitzt komplexe innere Strukturen von nur 300 µm und Kanäle mit einer Breite von nur 500 µm. Diese Strukturgrößen sind noch nicht die Grenzen des Möglichen: Aktuell sind Wandstärken von 150 µm und kleinste Kanaldurchmesser von 200 µm druckbar.

Wie vielfältig die Einsatzmöglichkeiten sind, zeigen die Demobauteile – vom Wärmetauscher über Gitterstrukturen für Hochtemperaturanwendungen bis hin zu Förderschnecken zum Mischen von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität – in der Bildergalerie.

Für jeden Anspruch die bestmögliche Lösung

In seinem Technikum hat Bosch Advanced Ceramics unterschiedliche keramische 3D-Drucker verschiedener Hersteller im Einsatz, um für jedes Bauteil und jedes Einsatzgebiet die bestmögliche Lösung zu finden. Denn auch die verwendeten Keramikmaterialien beeinflussen die Qualität und Performance des Bauteils. Bosch Advanced Ceramics verwendet unter anderem Aluminiumoxid, den am weitesten verbreiteten oxidkeramische Werkstoff. Aufgrund der hohen Festigkeit eignet sich diese Hochleistungskeramik für den Einsatz in vielen Branchen, zum Beispiel im Maschinenbau, in der Anlagentechnik, in der Medizintechnik und in der Elektrotechnik. Zirkonoxide besitzen eine hohe Bruchzähigkeit und lassen sich zuverlässig verarbeiten, was sie beispielsweise für die Herstellung von langlebigen Sensoren prädestiniert. Bei Mischoxidkeramiken aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid (ZTA) bestimmt die Dominanz des einen oder anderen Materials innerhalb der Verbindung die endgültige Charakteristik. So können verschiedenste applikationsspezifische Anforderungen erfüllt werden. Sie finden vornehmlich in der Chemie- und Verfahrenstechnik sowie im Anlagenbau Einsatz.

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Vom Prototypenbau zum Rapid Manufacturing

Die additive Fertigung besticht durch einen hohen Grad an gestalterischer Freiheit, großer Flexibilität in der Fertigung sowie einer sehr schnellen Bemusterung. Um diese Vorteile auch in einem größeren Produktionsumfang nutzen zu können, hat Bosch Advanced Ceramics den 3D-Druck in die Serienfertigung überführt. Funktionsfähige Prototypen aus Keramik lassen sich bereits in Kleinserien wirtschaftlich sinnvoll fertigen, da keine hohen Investitionen in Werkzeuge nötig sind. Dabei bleibt die Flexibilität im Fertigungsprozess erhalten; so werden Designvarianten möglich und kundenspezifische Anpassungen können einfach umgesetzt werden – und das mit einer sehr kurzen Time-to-Market.

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