Additive Fertigung Erste Erfahrungen im 3D-Druck mit Keramik

Autor: Simone Käfer

Vor einem Jahr ist Maxon Motor in die additive Fertigung mit Keramik eingestiegen. Die Vorteile überzeugen, doch es gibt ein paar Hürden. Zum Beispiel fehlen passende Angaben in der Konstruktionssoftware.

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Der Verfahrensvergleich: vorne der 3D-gedruckte Springer, hinten der konventionell gefertigte.
Der Verfahrensvergleich: vorne der 3D-gedruckte Springer, hinten der konventionell gefertigte.
(Bild: Simone Käfer)
  • Filigrane Details, feine Geometrien und Hohlstrukturen macht der 3D-Druck mit technischer Keramik möglich.
  • Keine Konstruktionssoftware für die Additive Fertigung ist auf die Bedürfnisse technischer Keramik ausgelegt.
  • Der Reinigungsprozess ist aufwendig. Denn ein 3D-gedrucktes Keramikbauteil als Grünling ist noch sehr weich.

Mit Keramik fertigt der deutsche Standort des Klein- und Kleinstmotorenherstellers Maxon Motor in Stückzahlen von eins bis einer Million, beispielsweise Achsen und Wellen für Getriebe-Motoren-Kombinationen. Die Keramikfertigung hat in Sexau bei Freiburg ihre eigene Halle. Darin befinden sich Spritzguss-, Extrusions- und Zerspanungsmaschinen sowie Maschinen für die Nachbearbeitung. Außerdem gibt es einen separaten Entwicklungsbereich für die Laserpräzisionstechnik, ein Labor für die Qualitätssicherung, eine Halle für Entbinder- und Sinterprozesse und einen Raum mit einem 3D-Drucker.

Die weiße, zähe Masse erinnert eher an Silikon zum Abdichten als an Keramik. Sie wird in schwarzen Plastikdosen aufbewahrt, die immer gut verschlossen sind. Denn die Keramikpaste ist photosensitiv und muss vor UV-Licht geschützt werden. Erst nach dem notwendigen Sintern verhält sich der Werkstoff wie Keramiken für konventionelle Verfahren. Maxon Motor arbeitet mit zwei Keramikmaterialien. Zirkonoxid (ZrO2) nutzen sie vorwiegend für industrielle und medizintechnische Anwendungen, da es eine hohe Verschleißfestigkeit und Härte bietet, aber sowohl das Elastizitätsmodul (E-Modul oder Zugmodul) als auch die Wärmeausdehnung denen von Stahl sehr ähnlich sind. Außerdem ist Zirkonoxid biokompatibel. Das zweite Material ist Aluminiumoxid (Al2O3). Dieses setzen die Breisgauer für Anwendungen in der Elektrotechnik ein, denn es isoliert gut und hat eine geringe Dichte.

Die Qualität des Lasers, die Bauraumgröße, die benötigten Toleranzen sowie Materialeigenschaften und -preis müssen stimmen, und außerdem soll die Maschine auch noch schnell sein. Das waren die Anforderungen von Maxon an den 3D-Drucker. Zwei Jahre haben sie nach der passenden Maschine gesucht. Seit einem Jahr ist der Ceramaker 900 von 3DCeram nun im Einsatz. Das ist noch nicht sehr lange. Die ersten Gehversuche hat Maxon aber schon hinter sich und entdeckt nach und nach das Anwendungspotenzial.

Der 3D-Drucker

Der C900 von 3DCeram

Laut Hersteller 3DCeram eignet sich die Maschine zum Drucken von Prototypen oder kleinen Serien funktioneller Teile. Er arbeitet mit Stereolithografie (SLA) und benötigt laut Unternehmen nur kleine Materialmengen im Bereich von 100 ml.

  • Bauraum: 300 mm × 300 mm × 100 mm
  • Laser: 5W-UV-Laser mit einem Durchmesser von 35 µm
  • Schichtdicke: 0,010 bis 0,125 mm

Es gibt den C900 auch als Hybrid. Er kann zwei Werkstoffe gleichzeitig drucken.

Die Vorteile von technischer Keramik

Getriebeachsen aus Keramik sind wesentlich verschleißärmer als metallische. Auch eine Laserspindel aus Keramik verspricht eine längere Lebensdauer. Außerdem ist Keramik überraschend flexibel und federnd. Daher stellt Maxon auch Keramikfedern her. „Aber Keramik bricht sehr leicht“, gibt Andreas Philipp, Head of Competence Center CIM/MIM bei Maxon zu bedenken. Die Eigenschaften temperaturbeständig, isolierend und EMV-sicher sind sowohl für die Industrie als auch für medizintechnische Anwendungen wichtig. Deswegen produziert Maxon auch Isolierhülsen aus Keramik. Da sich Keramik wesentlich angenehmer und nicht so kalt wie Metall anfühlt und zudem auch biokompatibel ist, werden mit diesem Werkstoff beispielsweise Kanülen für Infusionsnadeln unter anderem für Neugeborene hergestellt.

Die meisten Produkte fertigt das Keramik-Team um Philipp per Spritzguss oder Extrusionsverfahren. Noch sind die Möglichkeiten und Vorteile des 3D-Druckers nicht ganz ausgetestet, die Kunden noch vorsichtig und die Fertigung im Vergleich zu Spritzguss zu teuer. „Deswegen nutzen wir die Additive Fertigung für neue oder individuelle Produkte und um verschiedene Varianten auszutesten“, sagt Musawar Khawaja aus dem Development CIM/MIM und Maxons Fachmann für den 3D-Keramikdruck. „Kunden fragen vorwiegend nach Prototypen“, ergänzt er. Ein Vorteil des 3D-Drucks ist der Detailreichtum, den er ermöglicht. Bei Maxon steht beispielhaft dafür der Springer-Vergleich. Keramik-Schachfiguren aus der Grünlingsbearbeitung erinnern mit ihrem klaren, reduzierten Design eher an ein Bauhausobjekt. Filigrane Strukturen sind hier nicht möglich. Der 3D-gedruckte Springer hingegen hat eine Mähne, ein Gesicht und weiche Formen.

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Technische Keramik im 3D-Druck

Das Keramik-Team von Maxon ist begeistert von den Details, den feinen Geometrien und den Hohlstrukturen, die mit Additiver Fertigung möglich sind. Denn das ist bei den fragilen Grünteilen konventioneller Verfahren schwer umsetzbar bis unmöglich. Nur Bohrungen bis 0,2 mm sind im 3D-Druck schwierig. Werden diese benötigt, wird das Bauteil per Spritzguss hergestellt. Auch haben die Keramikbauteile weder scharfe Kanten noch vorstehende Elemente. Das liegt allerdings am Werkstoff, denn dieser bricht leicht. Was Konstrukteure bei Keramik als Werkstoff mit einberechnen müssen, ist der Schrumpffaktor. Die Wärmebehandlung fordert 20 % des Bauteilvolumens ein. Das kann zwar im CAD-Programm bereits berücksichtigt werden. Trotzdem sagt die Erfahrung von Maxon, dass mehrere Testläufe nötig sind. Um den Verzug, der beim Sintern entstehen kann, zu verhindern oder wenigstens gleichmäßig zu halten, werden Stützstrukturen hinzugefügt oder spezielle Sinterunterlagen verwendet.

Das Problem mit der Software

Probleme macht den Mitarbeitern von Maxon die Konstruktionssoftware – aus zwei Gründen. Erstens arbeiten sie in der Datenvorbereitung mit fünf Systemen. Aufträge von Kunden kommen meistens in Solidworks. Diese müssen die Maxon-Leute in Magics übertragen. Magics ist eine sehr umfangreiche Software für die Additive Fertigung von Materialise. Aus dem CAD geht es dann an den 3D-Drucker, der wiederum mit seinem eigenen Programm arbeitet. Handelt es sich um einen Inhouse-Auftrag, kommen die CAD-Daten aus Pro/E von PTC und werden in Magics bearbeitet, bevor auch sie zum Drucker gesendet werden. Die Hauptherausforderung liegt aber darin, dass Magics nicht auf den Werkstoff Keramik ausgelegt ist – wie die meisten Maschinen-unabhängigen CAD-Programme. „Es gibt eine Abweichung zwischen dem gedruckten und dem aus dem CAD-Programm an den 3D-Drucker übertragen Teil. Deshalb sind meistens mehrere Iterationen nötig, um die vorgegebenen Toleranzen zu erreichen“, so Khawaja. Er meint, das liege daran, dass das Laserlicht zwar einen Durchmesser von 35 µm hat, aber noch etwas weiter streut und somit auch Keramikpaste in einem größeren Radius erreicht. Die Lösung erhofft er sich von 3DCeram. Denn der 3D-Drucker-Hersteller arbeitet an einer eigenen CAD-Software, von der sich Khawaja viel verspricht. Sie könne beispielsweise auch automatisiert Stützstrukturen planen, was in der aktuellen Software sehr zeitintensiv ist.

Bei dem Verfahren von 3DCerams werden die Stützstrukturen mit dem gleichen Material hergestellt. Der Unterschied ist, dass der Laser an diesen Stellen mit weniger Energie die Paste aushärtet, die Stützstrukturen also nicht so fest sind wie das eigentliche Bauteil. Um sie sauber zu entfernen, geht Maxon in drei Schritten vor. Zuerst kommt das Bauteil in ein Ultraschallbad. Dieses erledigt die meiste Arbeit. Aber nicht alles. Mindestens Reste der Strukturen sind noch am Bauteil. Sie werden zuerst mit einer Bürste und dann mit Reinigungsmittel entfernt.

3D-gedruckte Keramikteile im Postprocessing

„Das Postprocessing ist eine Herausforderung“, sagt Stefan Zilm, Leiter Business Development & Quality Engineering CIM/MIM bei Maxon. Denn der Reinigungsprozess ist aufwendig. Ein gedrucktes Keramikbauteil als Grünling ist noch sehr weich. Deswegen setzt Maxon zuerst Druckluft ein, um dann zusätzlich per Hand mit einer Bürste vorsichtig die Restpaste vom Bauteil zu entfernen. Schwierig wird es, wenn die Geometrie dünne, lange Löcher oder Sacklöcher hat.

Nach der ersten Reinigung des Bauteiles geht es zum Entbindern und Sintern. Denn bei dem Verfahren von 3DCeram wird mit einem Bindemittel gearbeitet. Um den Binder aus dem Bauteil zu lösen, stehen bei Maxon drei Möglichkeiten bereit: alkoholisches, katalytisches und thermisches Entbindern. Nicht ganz ideal für die 3D-gedruckten Teile sind die beiden Sinteröfen, die Maxon besitzt. Denn die kleine Bauplatte des 3D-Druckers geht in den großen Öfen fast verloren. Es wird also viel zu viel Energie dafür aufgewendet. Für das Lösen des Binders per Säure, das katalytische Entbindern, nimmt Maxon auch Auftragsarbeiten beispielsweise aus dem 3D-Siebdruck an. Welches Verfahren zum Entbindern gewählt wird, hängt vom Bindemittel ab.

Für die weitere Nachbearbeitung und das Finishen hat Maxon in seiner Keramikverarbeitung einige Möglichkeiten – von klassischen zerspanenden Verfahren über Gleitschleifen und Entgraten bis zum Polieren.

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung