Technische Keramik additiv fertigen – so gelingt´s

Hinweis: Dieser Artikel wurde auch im Fachmagazin Konstruktionspraxis veröffentlicht: Technische Keramik additiv fertigen – so gelingt´s

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Wer technische Keramik konstruiert, denkt traditionell inWerkzeugen, Trennungen und nachgelagerten Bearbeitungsschritten. AdditiveFertigung verschiebt diesen Ansatz. Der keramische 3D‑Druck erlaubt es,Geometrie, Funktion und Werkstoff von Anfang an gemeinsam zu denken – underöffnet damit neue Möglichkeiten für integrierte und hochbelastbare Bauteileim industriellen Einsatz.

Ein Unternehmen, das diese Entwicklung seit mehr als zehnJahren industriell umsetzt, ist die Sinto Advanced Ceramics Europe GmbH (ehemalsBosch Advanced Ceramics). Der Auftragsfertiger mit Sitz in Bayern ist auf dieadditive Fertigung technischer Keramik spezialisiert und begleitet Kunden vonder bauteilgerecht optimierten Konstruktion über die Materialauswahl undschließlich zur Serienproduktion. „Viele unserer Kunden kommen nicht mit einerfertigen Konstruktion zu uns, sondern mit einer konkreten Problemstellung“,beschreibt Nikolai Sauer, Geschäftsführer von Sinto Advanced Ceramics, typischeProjekte. „Aggressive Chemikalien, hohe Temperaturen, elektrische Isolation –und dann auch noch eine Geometrie, die sich konventionell nicht herstellenlässt.“ In genau diesen Szenarien hat sich der keramische 3D‑Druck vom reinenPrototyping‑Werkzeug zur industriell eingesetzten Fertigungstechnologieentwickelt.

Was bedeutet keramischer 3D‑Druck?

Im Unterschied zu anderen additiven Verfahren entsteht einkeramisches Bauteil nicht allein im Druckprozess. Gedruckt wird zunächst einsogenanntes Grünteil aus keramischem Schlicker oder Pasten, das zwar bereitsdie gewünschte Geometrie aufweist, jedoch noch nicht die finale Größe oder diespäteren Werkstoffeigenschaften besitzt. Erst im nachfolgenden Entbindernwerden organische Bestandteile entfernt, bevor das Bauteil im Sinterprozessverdichtet wird. In dieser Phase bilden sich die für technische Keramikencharakteristischen Eigenschaften wie hohe Festigkeit, Temperatur‑ undChemikalienbeständigkeit sowie elektrische Isolation aus. Maßhaltigkeit, Dichteund Oberflächenqualität werden dabei wesentlich durch das Zusammenspiel vonMaterialzusammensetzung, Entbinderführung und Sinterprofil bestimmt. „Beimkeramischen 3D‑Druck entscheidet sich die Qualität nicht allein im Druck“,betont Sauer. „Entbindern und Sintern sind zentrale Prozessschritte.Reproduzierbare Qualität erreicht nur, wer die gesamte Prozesskettebeherrscht.“

Additive Fertigungsverfahren für keramische Bauteile

Für den keramischen 3D‑Druck stehen grundsätzlichverschiedene additive Fertigungsverfahren zur Verfügung. Dazu zählen unteranderem Binder‑Jetting‑Prozesse, materialextrusionsbasierte Verfahren sowie vat‑basiertePhotopolymerisationsverfahren (VPP). Welche Technologie eingesetzt wird, hängtmaßgeblich von Anforderungen an Bauteilgröße, Detailauflösung,Oberflächenqualität und wirtschaftliche Stückzahlen ab. In der industriellenPraxis haben sich neben den Binder-Jetting-Verfahren, die VPP-Verfahren etabliert,welche auch der Auftragsfertiger Sinto Advanced Ceramics einsetzt.

Beim VPP‑Verfahren werden keramisch gefüllte, photoreaktiveSchlicker oder Pasten mithilfe einer Lichtquelle (DLP oder Laser) schichtweiseausgehärtet. „Die von uns eingesetzten Technologien eignen sich auch fürgrößere Bauteile mit Durchmessern von bis zu 250 Millimetern.“, erklärt Sauer. Anwendungenmit hohen Anforderungen an Maßhaltigkeit, Dichtflächen und Oberflächenqualitätprofitieren von den Vorteilen dieser Technologie. „Wir können glatteOberflächen mit Rauheiten unter Ra < 0,8 μm erzielen. Das ist ideal fürreibungsarme Anwendungen oder bei Anforderungen an geringe Partikelanhaftung“,so Sauer weiter. VPP-Verfahren benötigen einen relativ hohen Binderanteil (biszu 50 Vol%) in den Schlickern/Pasten. Hieraus ergibt sich ein Nachteil desVerfahrens: Die maximale Wandstärke der Sinterkörper liegt üblicherweise bei <10mm.

Eine spezielle Variante der BadbasiertenPhotopolymerisation über DLP ist das sogenannte „Lithography‑based CeramicManufacturing“ (LCM). „Beim LCM-Verfahren wird die kopfüber hängendeBauplattform wiederkehrend in eine Wanne mit photoreaktivem Schlicker getauchtund dieser selektiv mit blauem Licht ausgehärtet. So entsteht Schicht fürSchicht das gewünschte Bauteil“, erklärt Sauer. „Das ermöglicht sehr hoheAuflösungen, enge Toleranzen und geringe Oberflächenrauheiten. Pixelgrößen derBelichtungseinheit von 40 μm in X/Y-Richtung und bis zu 10 μm in Z-Richtungermöglichen die präzise Umsetzung komplexer Mikrostrukturen, filigraner Kanäleund detailreicher Geometrien.“ Entsprechend kommt LCM vor allem bei kleinen,hochpräzisen Bauteilen mit hohen Anforderungen an Maßhaltigkeit und Detailtreuezum Einsatz. Einschränkungen ergeben sich durch den vergleichsweise kleinerenBauraum, weshalb die Wahl des Verfahrens stets projekt‑ und anwendungsabhängigerfolgt.

Allen VPP-Verfahren gemeinsam ist, dass sie hohegeometrische Freiheit, dichte Gefüge und sehr gute Oberflächenqualitätenermöglichen – vorausgesetzt, sie sind in eine industrielle Prozesskette ausDruck, Entbindern und Sintern eingebettet. Die Wahl des geeigneten Verfahrensist dabei stets anwendungsabhängig und muss Material, Bauteilgeometrie undSerienanforderungen gleichermaßen berücksichtigen.

Werkstoffe: Oxidkeramiken als industrieller Standard

In der additiven Fertigung kommen unterschiedlicheWerkstoffsysteme zum Einsatz. Im Bereich der Oxidkeramiken sind dies oftAluminiumoxid und Zirkonoxid. Sie lassen sich prozessstabil drucken, entbindernund sintern und decken ein breites Eigenschaftsspektrum ab – von elektrischerIsolation über hohe Temperatur‑ und Chemikalienbeständigkeit bis hin zumechanischer Festigkeit. Besonders Aluminiumoxid mit seinem breiten Anwendungsbereich,bei gleichzeitig relativ geringen Kosten, ist eine der weltweit etabliertestentechnischen Keramiken. Weitere keramische Werkstoffe sind grundsätzlichebenfalls additiv verarbeitbar. Die Auswahl des Materials hängt von Anwendung,Fertigungsverfahren und Prozesskette ab. Für spezialisierte Anwendungsfälle, indenen Oxidkeramiken nicht geeignet sind (z.B. hohe Lastwechselzahlen, hoheWärmeleitfähigkeit) kommen Nichtoxid-Keramiken, wie Siliziumnitrid oder Aluminiumnitridzum Einsatz.

Anwendungen: Wenn Funktion und Geometrie zusammenkommen

Additiv gefertigte technische Keramik wird gezielt inAnwendungen eingesetzt, in denen hohe Anforderungen an Werkstoffleistung mitkomplexen Geometrien zusammentreffen. Im Maschinen‑ und Anlagenbau entstehen sofunktionsintegrierte Bauteile für abrasive, korrosive oder thermisch belasteteEinsatzbedingungen, etwa mit integrierten Medienführungen, definiertenDichtflächen oder verschleißfesten Kontaktzonen.

In der Halbleiterfertigung werden additiv gefertigtekeramische Komponenten wie Gasinjektoren oder Fluidverteiler eingesetzt, dieaggressiven Prozessgasen, hohen Temperaturen und strengen Reinraumanforderungenstandhalten müssen. Der keramische 3D‑Druck ermöglicht hier die präziseAuslegung innenliegender Strömungskanäle, homogener Gasverteilungen unddünnwandiger Strukturen bei gleichzeitig hoher Maßhaltigkeit undreproduzierbarer Serienqualität. Auch in der Medizintechnik hat sich keramischeadditive Fertigung etabliert, insbesondere bei stark miniaturisierten,elektrisch isolierenden oder verschleißfesten Bauteilen für minimalinvasiveInstrumente.

Weitere Einsatzfelder finden sich in der Luft‑ undRaumfahrt sowie in der Energiegewinnung. Dort werden keramische Komponentenbenötigt, die unter hohen Temperaturen, elektrischen Feldern oder herausforderndenAtmosphären dauerhaft stabil bleiben. Additive Fertigung ermöglicht eineanwendungsoptimierte Auslegung von Struktur‑, Halte‑ oder Isolierkomponentenund eröffnet neue Freiheitsgrade bei der Anpassung von Geometrie und Funktionan den jeweiligen Prozess.

„Oft können wir in technischen Gesprächen Möglichkeitenaufzeigen, an die unsere Kunden zuvor gar nicht gedacht hatten“, erläutertNikolai Sauer. „Ein gutes Beispiel dafür ist ein Projekt, bei dem wir eineursprünglich zweiteilige Baugruppe in ein einziges Bauteil überführen konnten.“Gemeint ist ein additiv gefertigter Gasinjektor für die Halbleiterfertigung.Das ursprüngliche Konstruktionskonzept sah eine zweiteilige Baugruppe vor, diegefügt und dauerhaft gasdicht verbunden werden musste – mit entsprechendemMontageaufwand und zusätzlichen Schnittstellen im sensiblen Reinraumumfeld.Gleichzeitig bot die Konstruktion Potenzial zur funktionalen Optimierung,insbesondere im Hinblick auf die Gasverteilung in der Ätzkammer. Im Rahmen derNeuentwicklung wurde dieser Ansatz grundlegend hinterfragt. Gemeinsam mit demAuftragsfertiger Sinto Advanced Ceramics wurde der Injektor als monolithischeskeramisches Bauteil neu ausgelegt. Die additive Fertigung ermöglichte es,sämtliche Funktionen in einer geschlossenen Struktur zu integrieren und alleSchnittstellen zu eliminieren. Das resultierende Bauteil vereint dreiinnenliegende Kanäle mit jeweils 6 mm Durchmesser sowie insgesamt 62strömungsoptimierte Auslassöffnungen. Im Auslassbereich werden Wandstärken vonlediglich 0,2 mm realisiert. Ergänzt wird die Geometrie durch eineinnenliegende Strömungsstruktur, die eine homogene Gasverteilung unterstützt.Eine derart komplexe Kombination aus filigranen Wandstärken, komplexerInnengeometrie und engen Toleranzen wäre mit konventionellenFertigungsverfahren nur mit erheblichem konstruktivem und fertigungstechnischemAufwand umzusetzen.

Innovation durch AM‑only‑Bauteile

Über bestehende Anwendungen hinaus eröffnet der keramische3D‑Druck einen weiteren Entwicklungsschritt: Bauteile, die ausschließlichadditiv gedacht und gefertigt werden. In diesen Projekten entsteht Innovationnicht aus der Substitution bestehender Bauteile, sondern aus einem gemeinsamenSuch‑ und Entwicklungsprozess. Konstruktion, Werkstoff und Fertigung werden neuzusammengedacht, Funktionen gebündelt oder völlig neue Geometriekonzepteentwickelt. Das Ergebnis sind sogenannte AM‑only‑Bauteile – Komponenten, diemit konventionellen Verfahren weder herstellbar noch sinnvoll realisierbarwären und dennoch serienfähig umgesetzt werden können. „Wir begleiten Kundenhäufig von einer offenen Fragestellung hin zu einem konkreten Bauteil“, soSauer. Gerade die Fähigkeit, solche Konzepte nicht nur zu entwickeln, sondernauch industriell zu skalieren, macht keramischen 3D‑Druck für viele Unternehmenstrategisch interessant.

Herausforderungen und technologische Grenzen

Trotz der konstruktiven Freiheit ist der keramische3D-Druck kein Allheilmittel. Wirtschaftlich spielt die Technologie ihre Stärkenvor allem bei funktional begründeter Komplexität sowie kleinen bis mittlerenStückzahlen aus; für einfache Geometrien in großer Stückzahl bleibenwerkzeuggebundene Verfahren effizienter.

Zudem erfordert die additive Fertigung technischer Keramikein Umdenken in der Konstruktion. Zu massive Querschnitte können beimEntbindern und Sintern zu Rissen führen. Besondere Aufmerksamkeit verlangt auchder Schrumpf. Zwar ist der Sinterschrumpf ein generelles Keramikthema, dochdurch die hohe Geometriekomplexität im 3D-Druck steigt das Risiko für Verzugund Spannungsrisse. Auch müssen Innengeometrien wie Kanäle und Aussparungengenau betrachtet werden, um Stützstrukturen zu vermeiden.

„Es ist wichtig zu betonen: Additive Keramik ist keinePlug-and-Play-Technologie. Serienfertigung gelingt nur, wenn die gesamteWertschöpfungskette vom Design bis zum gesinterten Bauteil aufeinanderabgestimmt ist. Als Auftragsfertiger bieten wir daher einen End-to-End-Serviceund beraten unsere Kunden bereits in der frühen Konstruktionsphase, um dieMöglichkeiten und Grenzen von Beginn an sicher zu beherrschen“, betont NikolaiSauer.

Innovation entsteht aus Anwendung

Additiv gefertigte technische Keramik ist kein Selbstzweckund kein Ersatz für konventionelle Fertigungsverfahren. Ihr Potenzial liegtdort, wo extreme Anforderungen auf komplexe Funktionen treffen – und wo neueLösungen nicht durch die Optimierung bestehender Konzepte, sondern durch einenneuen konstruktiven Ansatz entstehen. Für Konstrukteurinnen und Konstrukteurebedeutet das, keramischen 3D‑Druck nicht nur als Fertigungstechnologie, sondernals Innovationswerkzeug zu betrachten. Wer Funktion, Material und Prozessgemeinsam denkt, kann mit keramischer additiver Fertigung Lösungen realisieren,die mit klassischen Ansätzen nicht denkbar waren.