Können keramische 3D-gedruckte Teile die Dichte und Festigkeit gesinterter Bauteile erreichen?
Aus Sicht der Fertigung und Werkstoffwissenschaft liegt in dieser Frage die zentrale Herausforderung der additiven Keramikfertigung. Kurz gesagt ist es äußerst schwierig, dass 3D-gedruckte Keramikteile die Dichte und mechanische Festigkeit von Teilen erreichen, die durch konventionelles Pressen und Sintern hergestellt wurden – obwohl sich die Leistungslücke mit dem technologischen Fortschritt zunehmend verringert.
Die grundlegende Herausforderung: Porosität
Traditionelle keramische Herstellungsverfahren wie einachsiges Pressen, Kaltisostatisches Pressen (CIP) und Spritzgießen verdichten feine Keramikpulver unter hohem Druck zu einem „Grünkörper“ mit sehr hoher Dichte und gleichmäßiger Partikelpackung. Dieses dichte Vorformteil wird anschließend gesintert, wobei Diffusionsprozesse die meisten verbleibenden Poren effektiv beseitigen und nahezu theoretische Dichte erreichen.
Die meisten keramischen 3D-Druckverfahren – wie Binder Jetting, Stereolithografie (SLA) und Direct Ink Writing (DIW) – sind schichtbasierte Verfahren, die ein Bindemittelmaterial beinhalten. Dies führt zu zwei primären Quellen der Porosität:
Zwischenschichtporen: Der schichtweise Aufbau kann mikroskopische Grenzflächen und Hohlräume zwischen abgelagerten Bahnen oder ausgehärteten Schichten erzeugen, die beim Sintern nur schwer vollständig beseitigt werden können.
Bindemittelentfernung: Beim Ausbrennen des polymeren Bindemittels (Entbinderung) entstehen Kanäle und Poren, die während des Sinterns geschlossen werden müssen. Der anfänglich geringere „Grünkörper“-Dichtegrad von 3D-gedruckten Teilen erschwert die vollständige Verdichtung im Vergleich zu einem unter Hochdruck gepressten Teil.
Diese verbleibende Porosität wirkt als Spannungskonzentrator und reduziert die Zug- und Biegefestigkeit des Bauteils erheblich im Vergleich zu einem vollständig dichten, gesinterten Gegenstück.
Vergleich von Festigkeit und Dichte
Die folgende Tabelle veranschaulicht typische Leistungsunterschiede:
Eigenschaft | Konventionell gepresste & gesinterte Keramik (z. B. Alumina) | 3D-gedruckte & gesinterte Keramik |
|---|---|---|
Dichte | >99 % der theoretischen Dichte | Typischerweise 92–98 % der theoretischen Dichte |
Biegefestigkeit | Sehr hoch (z. B. 300–400 MPa für Alumina) | Deutlich geringer, oft 50–70 % der gepressten Festigkeit |
Zuverlässigkeit & Konsistenz | Hoch, aufgrund gleichmäßiger Mikrostruktur | Niedriger, kann anisotrop sein und ist empfindlich gegenüber Druckparametern |
Fortschrittliche Technologien zur Überbrückung der Lücke
Bestimmte High-End-Additivtechnologien erweitern die Grenzen, um die Dichte zu verbessern:
Lithography-Based Ceramic Manufacturing (LCM): Eine Form der keramischen SLA, bei der ein photosensitives Harz verwendet wird, das mit einem sehr hohen Anteil (über 50 %) feinen Keramikpulvers beladen ist. Nach dem Drucken und Entbindern werden die Teile gesintert und erreichen Dichten von bis zu 99,5 %+ sowie mechanische Eigenschaften, die denen konventionell gefertigter technischer Keramiken sehr nahekommen.
NanoParticle Jetting (NPJ): Diese Technologie sprüht ein flüssiges Bindemittel in ein Bett aus Keramiknanopartikeln, wodurch eine sehr hohe Grünkörperdichte erzielt wird, die nach dem Sintern in eine höhere Enddichte übergeht.
Selbst mit diesen fortschrittlichen Verfahren bleibt das Erreichen derselben isotropen Mikrostruktur und fehlerfreien Konsistenz wie bei einem unter Hochdruck gesinterten Teil jedoch eine erhebliche Herausforderung.
Technische Richtlinien für die Werkstoffauswahl
Konventionelle Verfahren für maximale Leistung: Für Anwendungen, die höchste Festigkeit, Härte und Zuverlässigkeit erfordern – wie verschleißfeste Komponenten, ballistische Panzerungen oder Hochdruckdichtungen – sind konventionell hergestellte und dicht gesinterte Keramiken, häufig nachbearbeitet durch CNC-Schleifen, die unangefochtene Wahl.
3D-Druck für Komplexität und Integration: Der Hauptvorteil des keramischen 3D-Drucks liegt in der geometrischen Freiheit. Er ist die bevorzugte Methode zur Herstellung von Teilen mit komplexen inneren Kanälen, komplizierten Gitterstrukturen und individuellen Geometrien, die weder gegossen noch bearbeitet werden können – selbst wenn die mechanischen Eigenschaften leicht geringer sind. Dies ist besonders wertvoll in der Medizintechnik (z. B. patientenspezifische Knochengerüste) und der Luft- und Raumfahrt.
Hybrider Ansatz als Kompromiss: Für höchste Leistung in komplexen Bauteilen kann eine Hybridstrategie angewendet werden: der 3D-Druck eines Near-Net-Shape-Vorformteils, gefolgt von einem Sekundärprozess wie Heißisostatischem Pressen (HIP), um verbleibende Poren zu schließen und nahezu volle Dichte zu erreichen.
