Keramik 3D-Druck Konstruktions-Leitfaden für den keramischen 3D-Druck

Wo herkömmliche Fertigungsmethoden an ihre Grenzen stoßen, zeigt der keramische 3D-Druck seine Stärken. Doch worauf muss bei diesem funktionsgetriebenen Konstruktionsprozess geachtet werden? Ein Artikel über Möglichkeiten und Hindernisse.

Der 3D-Druck von keramischen Materialen ist aufwendiger als der von Kunststoff- oder Metall-basierten Werkstoffen. Ein zuverlässiges Verfahren, welches bei Bosch Advanced Ceramics in der Serienproduktion eingesetzt wird, ist das sogenannte Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM; Lithografie-basierte Keramikherstellung).

Ausgehend von einem CAD-Modell und einem Keramikpulver entstehen hier in einem mehrstufigen Prozess keramische Bauteile. Dazu wird zuerst das entsprechende Keramikpulver zum sogenannten Schlicker, einer flüssigen, lichthärtbaren Keramik-Monomer-Suspension, verarbeitet. Dieser wird auf eine transparente Wanne aufgetragen. Eine bewegliche Bauplattform wird von oben in den Schlicker getaucht und von unten belichtet. Mithilfe eines Projektorsystems wird das Bauteil Schicht für Schicht produziert. Der so entstandene Grünkörper wird anschließend von anhaftendem Schlicker gereinigt, danach entbindert (Entfernung der Polymere) und abschließend gesintert.

Wie die Materialauswahl die Qualität des Bauteils beeinflusst

Es gibt eine Vielzahl an Hochleistungskeramiken. Typische Eigenschaften sind Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturbeständigkeit, ausgesprochene Härte und Formstabilität. Im Detail unterscheiden sich die Keramiken in ihren Materialeigenschaften. Der am weitesten verbreitete oxidkeramische Werkstoff im Bereich technischer Keramik ist Aluminiumoxid. Aufgrund seines hohen elektrischen Widerstands von 1014 - 106 Ohm (von 20 bis 600 °C) und einer hohen Wärmeleitfähigkeit wird dieser in der Elektronikbranche häufig als Isolator eingesetzt. Für Strukturkomponenten, bei denen mechanische Stabilität, Haptik und optisches Erscheinungsbild wichtig sind, wird häufig Zirkonoxid verwendet. Um unterschiedliche anwendungsspezifische Ansprüche genauer zu erfüllen, kann auf Mischoxidkeramiken aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid zurückgegriffen werden. Hier bestimmt die Dominanz des einen oder anderen Materials innerhalb der Verbindung die Charakteristik des Bauteils. Diese und weitere keramische Materialien werden von Bosch Advanced Ceramics im 3D-Druck eingesetzt.

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Additive Konstruktion einer Trägerplatte aus Keramik

Der 3D-Druck eröffnet nicht nur unzählige Möglichkeiten, er erfordert gleichzeitig ein neues Denken. Bauteile, die konventionell bloß mit hohem Aufwand oder gar nicht gefertigt werden können, sind mit dem 3D-Druck nun umsetzbar. Neben der Wirtschaftlichkeit ist die Fertigbarkeit entscheidend für die Bauteilkonstruktion. Konstrukteure und Designer müssen prozess- und materialbedingte Fertigungsrestriktionen für ein 3D- und keramikgerechtes Design zur Umsetzung der individuellen Vorstellungen beachten.

Eine mögliche Anwendung des keramischen 3D-Drucks sind Trägerplatten, wie sie häufig bei elektronischen und elektrooptischen Komponenten eingesetzt werden. Eine Trägerplatte aus Keramik ist elektrisch isolierend, verschleiß- und korrosionsbeständig und besitzt nur eine minimale Wärmeausdehnung. Durch den Einsatz von LCM ist zudem die Funktionsintegration einfach möglich – beispielsweise durch innenliegende Kanäle, Oberflächenstrukturierungen oder Verbindungselemente (Bild 1).

Zudem können Leiterbahnen über zusätzliche Verfahren aufgebracht werden. Bauteile, die mittels LCM gedruckt werden, besitzen eine sehr gute Oberflächenqualität, die bis zu einem Ra von 0,6 µm reichen kann. Um bei Verklebungen stoffschlüssige Verbindungen zu ermöglichen, kann die Oberflächenstruktur bewusst vergrößert werden. Das ermöglicht neben den haptischen auch optische und Effekte, wie Beschriftungen, Markierungen oder Personalisierungen und macht den 3D-Druck gerade für die Prototypenfertigung oder bei Bauteilen mit minimalen Variationen interessant.

Generell ist bei der Konstruktion für additiv gefertigte Bauteile zu beachten, dass eine ausreichend große Grundfläche für den Aufbau nötig ist. Die prozesstechnischen Grenzen zur Fertigung keramischer Bauteile betragen für Wandstärken ab 0,15 mm bis zu 4 mm. Optimal für den Prozess ausgelegte Konstruktionen weisen eine möglichst homogene Wandstärke über die komplette Geometrie auf. Materialanhäufungen können durch Nuten, Bohrungen oder andere Subtraktionen verkleinert werden, wodurch sich zudem Leichtbaueffekte ergeben.

Mit dem LCM-Verfahren lassen sich selbst komplexe Geometrien, wie rechte Winkel, Überhänge, Hinterschnitte oder Hohlräume mit Toleranzen von 0,05 mm bei geeigneter Konstruktion drucken. Jedoch ist ein gewisses Prozess-Knowhow hierbei vonnöten: Überhangbereiche zwischen 90° (senkrecht zur Grundfläche) und 45° sind unkritisch. Unterhalb dieser Grenze müssen Flächen ggf. durch Supportstrukturen abgestützt werden. Kleine Überhangbereiche (1 – 2 mm) sind auch ohne Supportstrukturen möglich (Bild 2).

Generell sollten Supports vermieden werden, da sie beim Entfernen nach dem Drucken eine raue Oberfläche hinterlassen. Um dies bei Verbindungselementen, wie Zapfenverbindungen zu realisieren, können sie mit einer Fase versehen werden.

Bei der Konstruktion bereits die Post-Produktion im Blick behalten

Ob das Bauteil material- und prozessgerecht konstruiert wurde, zeigt sich erstmals nach dem Druckprozess. Wichtig ist, dass anhaftender Schlicker von allen Oberflächen des Bauteils abgereinigt werden kann. Ein weiteres Mal erfährt man beim Entbinder- und Sinterprozess, ob das Bauteil keramikgerecht konstruiert wurde. Im Bauteil befindliche Polymere und organische Stoffe werden vor dem Sintern in einem Entbinderschritt ausgebrannt. Bei zu großen Wandstärken können die dabei entstehenden Gase nicht schnell genug aus dem Bauteil entweichen, wodurch Risse entstehen können. Die Schwindung des Bauteils im Sinterprozess wird beim Druck durch Skalierungsfaktoren an der Geometrie berücksichtigt.

Mit dem LCM-Verfahren ist es Bosch Advanced Ceramics möglich, hochkomplexe Bauteile in höchster Qualität in mittleren Stückzahlen und sogar in Großserien umzusetzen. Bosch Advanced Ceramics steht als Engineering Partner an der Seite seiner Kunden – von der ersten Idee, über die Konstruktion bis hin zum fertigen Bauteil.

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