Additive Fertigung Multi-Material-3D-Druck schafft funktionalisierte Bauteile

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Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS)

SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Bechtle PLM Deutschland GmbH

Der Multi-Material-3D-Druck mit technischen Werkstoffen ermöglicht funktionalisierte oder funktionell gradierte Produkte innerhalb eines Prozesses zu drucken. Das verkürzt die Prozesskette und senkt die Herstellkosten. Die Amarea Technology GmbH, ein Spin-off des Fraunhofer IKTS, will diese Technologie nun vermarkten.

Der Multi-Material-3D-Druck mit Hochleistungswerkstoffen ist die nächste Stufe in der Additiven Fertigung und wird seit 2014 am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt. In dieser Zeit konnte ein reichhaltiger Wissens- und Erfahrungsschatz erarbeitet werden. Über welches Potenzial die Multi-Material-Jetting-Technologie (MMJ) verfügt, wurde bereits mit aussagekräftigen Prototypen und verschiedenen Industriekunden erfolgreich demonstriert. Deshalb gründeten Steven Weingarten, Lutz Gollmer, Philipp Horn und Robert Johne im Februar 2023 die Amarea Technology GmbH mit Sitz in Dresden. Ab sofort wollen sie MMJ kommerzialisieren und die 3D-Drucker in die Serie überführen. Unterstützt werden sie dabei vom Fraunhofer IKTS und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK im Rahmen des Förderprogramms EXIST-Forschungstransfer.

Was steckt hinter der MMJ-Technologie?

Die Multi Material Jetting (MMJ)-Technologie ist ein suspensionsbasiertes additives Fertigungsverfahren. Die pulverförmigen keramischen oder metallischen Ausgangsmaterialien werden einer thermoplastischen Bindersubstanz zugesetzt. Diese Feedstocks können mit Hilfe von Mikrodosiersystemen bei Temperaturen von ca. 100 °C tröpfchenweise appliziert werden. Damit lassen sich auch hochkomplexe Bauteile Schicht für Schicht präzise aufbauen – mit bis zu 1000 Tropfen pro Sekunde. Die Tropfengröße liegt zwischen 300 und 1000 μm, was zu Schichtdicken zwischen 100 und 200 μm führt. Maximal lassen sich derzeit Bauteile der Größe 200 × 200 × 190 mm drucken. Anschließend erfolgt eine Entbinderung, wobei das Bindermaterial, die Organik, zersetzt wird. Der letzte Schritt ist die Sinterung, bei der das Werkstück verdichtet wird und die gewünschten Eigenschaften und Funktionen wie Festigkeit, thermische und elektrische Leitfähigkeit, erhält. Die Sinterung der Bauteile geht mit einer Bauteilschwindung einher. Der Betrag der Schwindung ist abhängig vom Anteil der Feststoffpartikel und liegt typischerweise zwischen 15 % und 25 %. Mit der MMJ-Technologie lassen sich folgende Materialien verarbeiten:

• Keramiken (Oxid-, Nitrid- und Karbidkeramiken; mehrfarbig, funktionalisiert)

• Hartmetalle

• Sintergläser (funktionalisiert)

• Edelstähle

• Edelmetalle

• Polymere (Thermoplaste mit einer Schmelztemperatur bis 180 °C)

Funktionalisierte und gradierte Bauteilen mit Multi-Material-3D-Druck

Die großen Vorteile der additiven Fertigung liegen in der schnellen Realisierung von innovativen Ideen, der Designfreiheit und der weitgehenden Geometrieunabhängigkeit. Durch die Materialvielfalt beim Multi-Material-3D-Druck sind der Kreativität nun noch weniger Grenzen gesetzt. Es lassen sich Materialien mit definierten Eigenschaften herstellen und kombinieren, wie u. a. elektrisch leitfähig und elektrisch isolierend, dicht und porös, hart und duktil, mehrfarbig oder auch magnetisch und nicht magnetisch. So lassen sich funktionalisierte Bauteile oder ganze Baugruppen, etwa mit integrierter Sensorik oder Aktorik, innerhalb eines Prozesses drucken – und dies ganz ohne Querkontamination der einzelnen Materialien. Durch stufenweises Kombinieren von Materialien innerhalb einer Schicht und von Schicht zu Schicht mit definierten Eigenschaften, ist der 3D-Drucker darüber hinaus imstande, auch funktionell gradierte Übergänge, zum Beispiel Porosität, innerhalb eines Bauteils zu erzeugen.

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Anwendungspotenzial ist riesig

Der Multi-Material-3D-Druck ermöglicht es Herstellern, Produkte noch besser als zuvor an die Bedürfnisse der Anwender anzupassen. Die Prozesskette wird verkürzt und damit sinken auch die Produktionszeiten und -kosten, die Produktvielfalt wird erweitert sowie leistungsfähigere und robustere Bauteile oder Baugruppen können hergestellt werden. Als Zielgruppen adressiert Amarea Technology Entwickler und Hersteller von Komponenten aus Hochleistungswerkstoffen aus verschiedenen Branchen wie Elektronik und Halbleitertechnik, Sonderwerkzeugbau, Automobiltechnik mit seinen Zulieferketten, Schmuck- und Uhrenindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder Energietechnik. Aber auch der Prototypenbau und Forschungseinrichtungen können von den Vorteilen des Multi-Material-3D-Drucks profitieren.

Keine aufwendige Nachbearbeitung der gedruckten Bauteile

Mitte 2024 soll die neue 3D-Drucker-Generation auf den Markt kommen. Das modulare Anlagenkonzept ermöglicht den 3D-Drucker kundenspezifisch auszulegen. Mit bis zu sechs Druckköpfen, und damit bis zu sechs unterschiedlichen Materialien, erreicht der 3D-Drucker aktuell Bauteilgenauigkeiten von 70 bis 100 µm. Zur Inline-Prozesskontrolle können bis zu zwei Profilsensoren integriert werden, um die Prozessparametrisierung zu automatisieren und zukünftig die Bauteile noch im Druckvorgang geometrisch zu vermessen. Mit dem zukünftig optional erhältlichen Laser-Modul, das während des 3D-Drucks Material abträgt, poliert oder die Oberflächen strukturiert, werden Oberflächenrauhigkeiten von unter 1 µm erreicht. Damit entfällt die aufwendige Nachbearbeitung von Bauteilen. Hersteller können so ihre Fertigung hinsichtlich Zeit und Kosten weiter optimieren. Auch weitere KI-Methoden tragen zur Qualitätssicherung bei, wie eine Defekterkennung und eine automatische Anpassung der Prozessparameter während des Druckprozesses.

Produktivität steigern durch intelligente Pfadplanung

Je nach Bauteilgröße und -geometrie hängt der Erfolg der additiven Fertigung auch von der Produktivität ab, das heißt wie schnell ein Bauteil gedruckt werden kann. Aktuell liegt die Geschwindigkeit bei 8 bis 12 cm³/h pro Druckkopf. Mit der neuen 3D-Druckergeneration will Amarea die Geschwindigkeit mindestens verdoppeln. Dafür braucht es eine intelligente Pfadplanung. Das bedeutet, die eigens entwickelte Software legt den optimalen Pfad für den Materialauftrag pro Schicht fest. Das spart nicht nur Zeit, sondern auch Energie.

15 Materialien und Materialkombinationen für die MMJ-Technologie

Zu den drei Geschäftsbereichen von Amarea zählen die Entwicklung und der Vertrieb der Hightech-3D-Drucker, Druckmaterialien und Service. In der neusten Anlagengeneration können bis zu sechs Druckköpfe installiert werden. Das bedeutet, dass auch bis zu sechs unterschiedliche Materialien gleichzeitig miteinander kombinierbar sind. Diese müssen aufeinander abgestimmt sein – das langjährige Know-how des IKTS im Bereich Materialentwicklung kommt hier zum Tragen. In den letzten Jahren konnten so mehr als 15 Materialien und Materialkombinationen für die MMJ-Technologie qualifiziert werden. So kann das Spin-off seinen Kunden eine Technologie an die Hand geben, die in einem einzigen Druckjob Multi-Material-Bauteile fertigt – angefangen von der Auswahl und Entwicklung des Druckmaterials bis hin zur Bauteilauslegung. Auch zukünftig werden das IKTS und Amarea Technology eng zusammenarbeiten und das Thema Multi-Material weiter vorantreiben.

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