Multi Material Keramikdruck für Funktionsbauteile

Keramische Werkstoffe bieten vorteilhafte Eigenschaften, wie hohe Festigkeit sowie Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Für Hochleistungsanwendungen besteht großes Potenzial, diese Eigenschaften funktionsgerecht innerhalb eines Bauteils zu vereinen, etwa durch lokal angepasste Härten, Porositäten oder thermische Belastbarkeiten. Die industrielle Realisierung des Multi-Material‑Drucks ist jedoch durch das Fehlen geeigneter Materialsysteme und Fertigungsverfahren eingeschränkt.

Stand der Technik

Die badbasierte Photopolymerisation (engl. Vat Photopolymerization, VPP) erlaubt bereits heute den hochauflösenden 3D-Druck mit hoher geometrischer Freiheit. Dabei wird ein flüssiges, lichtsensitives Polymerharz (Resin) in einem Behälter (Vat) lokal und schichtweise belichtet, sodass es selektiv aushärtet. Zur vollständigen Aushärtung ist eine thermische Nachbehandlung nötig: Mittels Entbindern wird überschüssiges Material ausgedampft, durch Hitzeeinwirkung beim Sintern wird das Bauteil verdichtet. Da sich verschiedene Keramiken während der Nachbehandlung unterschiedlich verhalten, sind Multi-Material Keramikbauteile so anspruchsvoll. Handelsübliche Verfahren sind daher auf monomaterielle Bauteile ausgelegt.

Technologie

Das am wbk Institut für Produktionstechnik entwickelte Materialsystem für Multi‑Material Additive Manufacturing (MMAM) adressiert den Bedarf nach keramischen Hybridbauteilen. Die Forschenden des KIT kombinieren VPP mit eigens entwickelten keramischen Schlickern (Gemisch aus mit Photoinitiator versetztem Binder und keramischen Mikropartikeln). Die lokale Belichtung mit einer definierten Wellenlänge führt zur schichtweisen Aushärtung des Materials. Für Multi-Material-Bauteile wechselt das System während des Drucks kontrolliert zwischen zwei Schlickerbehältern. So lassen sich verschiedene Keramiken mit vergleichbarem Schrumpf‑ und Sinterverhalten kombinieren, etwa Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Eine integrierte Reinigungsstation entfernt restliches Material vor jedem Wechsel. Das gedruckte Bauteil (bis zu 4x7 cm) wird wie gewohnt thermisch nachbehandelt.

Vorteile

Das entwickelte Bindersystem macht Keramik‑Keramik‑Bauteile mit lokal angepassten Eigenschaften erstmalig zuverlässig druckbar. Die Offenheit des Systems erleichtert die Übertragung auf weitere Keramiken und perspektivisch auch auf Keramik‑Metall‑Kombinationen. Die endkonturnahe Fertigung mit geringen Oberflächenrauheiten reduziert mechanische Nachbearbeitung und eignet sich besonders für Prototypen und Kleinserien.

Optionen für Unternehmen

Die Forschenden des wbk haben sich ein umfassendes Know-how in der Materialentwicklung für die additive Fertigung mit Multi-Materialien aufgebaut. Das KIT sucht Partner für die Weiterentwicklung der Technologie.