Keramischer 3D-Druck

/// 3D Druck News am 25. September 2022///

Keramischer 3D-Druck wird immer beliebter: Um Kunden umfassend hinsichtlich der Materialauswahl beraten zu können, ist es notwendig, diese Entwicklungen zu kennen und anzubieten.

3D-gedruckte Feuerschale

 

Wir verfolgt das Ziel, Kunden kostenfrei hinsichtlich der Materialauswahl zu beraten und festzustellen, ob die gewünschte Anwendung mit dem Material realisierbar ist. Häufig kann dabei die Empfehlung lauten, auf keramischen 3D-Druck zurückzugreifen. Mit den passenden Partnern können wir die Materialberatung, Konstruktion und Realisierung mit unterschiedlichen 3D-Druckverfahren aus einer Hand anbieten. Inzwischen gibt es hierzu unterschiedliche Verfahren und Anwendungen – bis hin zum 3D-Druck von Häusern. Wir möchten hier drei kleine aber spannende Entwicklungen vorstellen.

 

Neue Anwendungen durch keramischen 3D-Druck

Zahlreiche Bauteile, welche in der additiven Fertigung aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden, könnten in den nächsten Jahren aus einem keramischen 3D-Druck bestehen. Denn Keramik bietet einige Vorteile: Der Verschleiß ist wegen der hohen Festigkeit deutlich geringer als bei Kunststoff- oder Metallkomponenten. Zudem ist Keramik deutlich temperaturbeständiger, kratzfest und sogar entkeimbar. Zudem ergeben sich aus der keramischen additiven Fertigung spannende Anwendungen in der Medizin auf Grund der hohen Biokompatibilität.

Am häufigsten wird im keramischen 3D Druck das Material Aluminiumoxid (Al2O3) oder Zirconiumdioxid (ZrO2) eingesetzt. Auf Grund der Kosten und schwierigen Verarbeitung werden vereinzelt auch 3D-Drucke aus Siliziumkarbid (SiC) und Aluminiumnitrid (AlN) als Nichtoxidkeramiken angeboten. Speziell als Biokeramiken kommen Hydroxylapatit (HA) und Trikalziumphosphat (TCP) zum Einsatz, die die Zellaktivität stimulieren können und für den Körper ungiftig sind.

Ein Einsatzzweck auf Grund der hohen Temperaturbeständigkeit ist beispielsweise die Gießereitechnik. Dabei kommt als Verfahren hauptsächlich das Binder Jetting mit Quarz-Sand zum Einsatz. In die 3D gedruckten Formstücke aus Quarzsand wird beispielsweise Metall gegossen, um so Kurbelgehäuse herzustellen. Als Gussmaterial kommen Eisen-, Kupfer und Aluminiumbasiswerkstoffe in Frage. Die Herstellung von Gießkernen kann beispielsweise über Vat Photopolymerisation geschehen. Neben den additiv hergestellten Gießkernen und Gießformen gibt es auch keramische Gießfilter, die Einschlüsse in Schmelzen herausfiltern und die Strömung optimieren sollen. Durch strömungsoptimierte Gitter, die die Schmelze in ihrer Richtung ändert, lassen sich effizientere Schmelzefilter herstellen.

Ein deutlicher Wachstumsmarkt für keramischen 3D-Druck zeigt sich im Medizinsektor. Mit Verfahren wie Vat Photopolymerisation, Binder Jetting und Material Extrusion werden Materialien wie Hydroxylapatit und Tricalciumphosphat verarbeitet. Zwar ist die Dichte der hergestellten Stücke gering und die Oberfläche ungenauer, jedoch ist dies als biokeramisches Element von interessanter Bedeutung. Implantate aus Tricalciumphosphat haben eine sehr gute Biokompatibilität, Bioresorbierbarkeit sowie Osteokonduktivität und können als Ersatzmaterial für Knochen eingesetzt werden. Der Körper resorbiert diese Materialien und ersetzt sie durch eigenes Knochengewebe. Dabei entfällt die Entfernung des Implantats. Sehr häufig kommen in der Medizin additiv hergestellte Brücken und Kronen aus ZrO2 zum Einsatz.

In der Analytik wird ebenfalls häufig keramischer 3D-Druck eingesetzt, um Tiegel und kleine Probenhalter herzustellen. Wegen der ehr kleinen Stückzahlen ist die additive Fertigung ein wirtschaftlicher Vorteil. Dabei werden die Halter in der Regel in der thermischen Analytik eingesetzt, um hohe Temperaturen standzuhalten.

Einige weitere interessante Beispiele werden hier aufgezeigt:

 

Die Feuerschale aus dem 3D- Drucker

Das Unternehmen ING3D hat einen mineralischen 3D-Druck entwickelt, mit dessen Hilfe keramische Modelle hergestellt werden. Dabei werden Partikel versintert, die ein poröses Objekt ermöglichen, welches hohe Temperaturen von 1.000°C aushält. Die kostengünstige Herstellung erlaubt wettbewerbsfähige und großflächige 3D-Modelle.

Neue Anwendungen durch mineralischen 3D-Druck:

Der mineralische 3D-Druck hat eine ähnliche Haptik wie Porenbeton. Hierdurch lassen sich einzigartige Formen für Schallschutzelemente herstellen. Denn in der porösen Struktur „verfangen“ sich Schallwellen. Dies hat eine deutliche Verbesserung der Raumakustik zur Folge. Es gibt aber auch noch einen weiteren wichtigen Vorteil: Das Material ist extrem Feuerbeständig. Dieser wichtige Aspekt ist hinsichtlich der Nutzung in Gebäuden vor allem für Architekten ein wichtiger Punkt.

 

Farbiger 3D-gedruckter Beton

Farbiger Beton für 3D-Druck

Nachdem die ersten Häuser aus dem 3D-Drucker fertiggestellt wurden, stellt sich die Frage, wie man den Beton 3D-Druck farblich aufwerten kann. Die Firma Lanxess hat spezielle Farbpigmente entwickelt, welche für den 3D-Betondruck verwendet werden können.

Neue Anwendungen durch farbigen Beton:

Nicht nur für den Hausbau kann farbiger Beton genutzt werden, um der Architektur einen einzigartigen „Anstrich“ zu verpassen. Auch kleine Modelle können von der Herstellung mit bunten Beton profitieren. Beispielsweise lassen sich so Büsten oder Kunstobjekte völlig neu gestalten.
Es gibt noch einen weiteren positiven Nebeneffekt abseits der additiven Fertigung: Mit Hilfe des durchfärbten Betons können abriebfeste Markierungen realisiert werden. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise Fahrbahnmarkierungen deutlich langlebiger sind, was der Sicherheit auf der Straße dient.

 

Keramik-ähnlicher 3D-Druck

3D-Druck mit PMMA (Plexiglas)

Das Unternehmen Additive Elements hat ein additives Fertigungsverfahren entwickelt, das mit dem Binder Jetting Verfahren ein PMMA-Ähnliches Material (AE12+) verarbeitet. Die daraus entstehenden Modelle sind nach wie vor aus diesem Kunststoff, jedoch hat es die gleiche Haptik wie 3D gedruckte Keramik oder ein silikatisches Material. Die Oberfläche fühlt sich leicht rau aber sehr formstabil an. Dabei ist das Material im Vergleich zu üblich gedruckten Kunststoff relativ schwer und wirkt daher massiver.

Kunststoff, der sich wie Keramik anfühlt:

In manchen Anwendungen kann es hilfreich sein einen Kunststoff für die additive Fertigung einzusetzen, der sich wie Keramik anfühlt. Die Modelle haben eine sehr hohe Detailgenauigkeit für filigrane Modelle und basierend auf einen hellen Kunststoffmaterial. Die Wärmeformbeständigkeit liegt bei dem Material bei 60°C und ist damit für den Modellbau sehr gut geeignet. Mögliche Anwendungen sind Architekturmodelle, Büsten, Ingenieursmodelle oder auch Abdeckungen.

 

gedrucktes Porzellan – Keramischer 3D-Druck

3D Gedruckte Objekte von Helena Boddenberg

Das Porzellanikon in Selb zeigt in seiner Ausstellung Porzellan, welches aus dem 3D-Drucker stammt. Die Porzellanherstellung ist eines der ältesten Gewerbe der Welt und findet nun auch in der additiven Fertigung ihren Platz. Bildquelle: porzellanikon.org

Neue Anwendungen 3D-gedrucktes Porzellan:

Durch den 3D-Druck von Porzellan lassen sich gänzlich neue Varianten von bekannten Gegenständen herstellen, die bisher nur über ein händisches Verfahren realisierbar waren. Auch neue Anwendungen wie 3D-gedruckte Lampenschirme oder Kunstobjekte bereichern nicht nur die Ausstellung sondern künftig auch den Haushalt. Hierdurch hat Jedermann die Möglichkeit, seiner Wohnung einen individuellen Stil zu geben. Weitere Anwendungen sind hochfeste, hitzebeständige Bauteile.

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