Welche maximale Baugröße und Genauigkeit sind im keramischen 3D-Druck derzeit erreichbar?
Aus Sicht des Fertigungsingenieurwesens werden die Fähigkeiten der additiven Keramikfertigung durch ein grundlegendes Gleichgewicht zwischen Baugröße, Genauigkeit und der verwendeten Technologie bestimmt. Während der keramische 3D-Druck eine beispiellose geometrische Freiheit ermöglicht, erreicht er noch nicht die riesigen Bauvolumina oder die mikrometergenaue Präzision einiger metallischer AM-Systeme und arbeitet aufgrund des Sinterprozesses unter spezifischen Einschränkungen.
Maximale Baugröße nach Technologie
Die Bauvolumina beim keramischen 3D-Druck sind im Allgemeinen stärker begrenzt als bei Polymer- oder Metall-AM, hauptsächlich aufgrund der Herausforderungen beim Handling feiner, dichter Keramikschlicker und der entscheidenden Bedeutung einer gleichmäßigen Entbinderung und Sinterung.
Fotolithographische Verfahren (SLA/DLP/LCM): Dies ist der gängigste Ansatz für hochauflösende Anwendungen. Es verwendet ein Bad aus lichtempfindlichem Harz, das mit Keramikpartikeln versetzt ist. Industrielle Systeme, beispielsweise von Lithoz, bieten derzeit Bauvolumina im Bereich von 200 × 200 × 100 mm bis 300 × 300 × 200 mm. Diese Systeme, die Bauteile für Branchen wie Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt herstellen, sind durch die Vat-Größe und die Notwendigkeit gleichmäßiger Lichtdurchdringung begrenzt.
Binder Jetting: Bei diesem Verfahren wird ein flüssiges Bindemittel auf ein Pulverbett aufgetragen, wodurch größere Baugrößen möglich sind. Einige industrielle Systeme erreichen Volumina von bis zu 800 × 500 × 400 mm. Der Nachteil liegt jedoch häufig in einer geringeren Auflösung und höheren Porosität des gesinterten Endteils im Vergleich zu lithographiebasierten Methoden.
Material Jetting (z. B. NanoParticle Jetting): Technologien wie NPJ von XJet bieten hervorragende Auflösung, jedoch mit eher moderaten Bauvolumina – typischerweise um 200 × 200 × 100 mm, ähnlich wie viele Lithographie-Systeme.
Erreichbare Genauigkeit und Auflösung
Es ist entscheidend, zwischen der Genauigkeit im „Grünzustand“ direkt nach dem Druck und der endgültigen Genauigkeit im „gesinterten Zustand“ zu unterscheiden. Alle keramischen AM-Teile unterliegen während des Entbinderungs- und Sinterzyklus einer erheblichen, nichtlinearen Schrumpfung (typischerweise 15–25 %), die im ursprünglichen CAD-Modell exakt kompensiert werden muss.
Fotolithographische Verfahren (LCM): Diese bieten die höchste Auflösung und die beste Oberflächenqualität. Sie erreichen:
Schichtdicke: 25 – 50 µm
Detailauflösung: bis zu 100–200 µm
Endgültige Genauigkeit nach Sintern: Bei korrekter Schrumpfkompensation sind Toleranzen von ±0,1 % (min. ±50 µm) auf kritischen Merkmalen erreichbar. Oberflächen können so fein sein, dass keine Nachbearbeitung auf nicht-kritischen Flächen erforderlich ist.
Binder Jetting: Die Auflösung ist geringer, bedingt durch die Größe der Pulverpartikel und die Ausbreitung der Bindertropfen.
Schichtdicke: 50 – 100 µm
Merkmalsauflösung: typischerweise > 500 µm
Endgültige Genauigkeit nach Sintern: Toleranzen liegen im Bereich von ±0,3 % bis ±0,5 %.
Material Jetting (NPJ): Diese Technologie bietet Auflösung und Genauigkeit, die mit der Lithographie konkurriert, mit hoher Oberflächenqualität und feinen Detailmerkmalen.
Technische Überlegungen und Einschränkungen
Schrumpfung ist nicht gleichmäßig: Der Schrumpf kann je nach Geometrie des Bauteils variieren. Dünne Wände und massive Bereiche können unterschiedlich sintern, was zu Verzug oder Verformung führen kann. Dies ist die größte Herausforderung für hohe Genauigkeit.
Nachbearbeitung für Präzision: Um Toleranzen zu erreichen, die mit der CNC-Bearbeitung vergleichbar sind, müssen gesinterte Keramikteile häufig nachbearbeitet werden – beispielsweise durch diamantbestückte Werkzeuge im CNC-Schleifen. Dies ist Standardpraxis, um präzise Passflächen und Bohrungen zu erzielen.
Größen-Genauigkeits-Kompromiss: Das Ausreizen der maximalen Baugröße geht häufig auf Kosten der Genauigkeit und der Ausbeute. Sehr große, dichte Keramikteile sind extrem schwierig zu drucken und zu sintern, ohne Risse oder signifikante Verformungen zu verursachen.
Design für den Prozess: Erfolgreiche Anwendungen erfordern ein Design, das speziell für die keramische AM-Technologie ausgelegt ist – mit großzügigen Radien, dem Vermeiden scharfer Kanten und dem Verständnis, wie Druckausrichtung und Stützstrukturen das Endteil nach dem Sintern beeinflussen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass zwar kein vollständiger Motorblock aus Keramik im 3D-Druck hergestellt werden kann, die Technologie jedoch perfekt geeignet ist, um hochkomplexe, mittelgroße Komponenten wie Siliciumkarbid-(SiC)-Düsen oder Zirkonoxid-(ZrO₂)-Implantate herzustellen – mit Merkmalen und Genauigkeiten, die mit keiner anderen Fertigungsmethode erreichbar sind.
