Metall-Keramik-Verbund Wie Werkstoffverbund-Bauteile 3D-gedruckt werden können

Werkstoffverbund-Bauteile nutzen gezielt die Vorteile zweier Materialien. Auch sie können additiv gefertigt werden. Am Beispiel eines Rückschlagventils aus Metall und Keramik wird gezeigt, welche Vorteile der 3D-Druck zusätzlich bei der Konzeption der Verbindungsfläche bietet.

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Das eigentliche Ventil besteht aus Aluminiumoxid-Keramik und wird im Stereolithografie-Verfahren additiv hergestellt. Die Anschlüsse sind aus Edelstahl und werden im SLM-Verfahren 3D-gedruckt. Das Fügen erfolgt mittels Aktivlöten.
Das eigentliche Ventil besteht aus Aluminiumoxid-Keramik und wird im Stereolithografie-Verfahren additiv hergestellt. Die Anschlüsse sind aus Edelstahl und werden im SLM-Verfahren 3D-gedruckt. Das Fügen erfolgt mittels Aktivlöten.
(Bild: Articus und Roettgen Fotografie)

In der Verfahrenstechnik, Chemie- und Pharmaindustrie oder der Lebensmittelbranche stellen Transport, Dosierung und Steuerung hochabrasiver Fluide einen Härtetest für die verwendeten Werkstoffe dar. Normalerweise wird in solchen Fällen Hartmetall wie Wolfram-Carbid-Kobalt eingesetzt. Einige der geförderten Flüssigkeiten weisen allerdings nicht nur abrasive Partikel auf, sondern korrodieren die Binderphase Kobalt. Dies führt zu einem Bauteilversagen innerhalb weniger Stunden. Edelstahl 1.4404 ist deshalb die korrosionsfeste Alternative.

Additiv gefertigtes Rückschlagventil

Für ein Rückschlagventil zur Fluidzerstäubung in der Verfahrenstechnik eignet sich der Edelstahl entlang gerader Rohrleitungen, da sich hier die Abrasion in Grenzen hält. Doch an Ventilen, Umlenkungen und Düsen ist der Verschleiß zu groß für diesen Werkstoff. Hier wurde die verschleiß- und korrosionsbeständige Keramik Aluminiumoxid (Al2O3) in einer hochreinen Form (99,9 %) gewählt.

Die Hilgenberg-Ceramics GmbH & Co. KG fertigt das Rückschlagventil additiv. Als Herstellungsverfahren wird die Stereolithographie verwendet. So können laut Hilgenberg-Ceramics die benötigten Toleranzen eingehalten und das ganze Ventil in einem Arbeitsschritt gefertigt werden - inklusive der innenliegenden Kugel. Die Anschlüsse an die Keramik sind aus Edelstahl 1.4404 und wurden von der Lightway GmbH im SLM-Verfahren (Laserschmelzen) 3D-gedruckt. Sie sollen eine hermetisch dichte Verbindung zur Peripherie herstellen, um die abrasiven Fluide ohne Leckage fördern zu können.

Flexibel designte Verbindungsstellen

Der 3D-Druck ermöglicht die freie Gestaltung der Kontaktstelle.
Der 3D-Druck ermöglicht die freie Gestaltung der Kontaktstelle.
(Bild: Hilgenberg-Ceramics)

Metall-Keramik-Verbindungen können über verschiedenste Verfahren gefügt werden. Hilgenberg-Ceramics wählte das Aktivlöten, da dieses Verfahren die höchste Langzeitstabilität gewährleistet. Die große technische Herausforderung liegt hier in den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxid mit 8 ppm/K gegenüber Edelstahl 1.4404 mit 22 ppm/K. Dies führt sowohl bei der Fertigung als auch beim Einsatz unter Temperatureinwirkung zu starken Spannungen an der Kontaktstelle der beiden Werkstoffe und eventuell zum Ausfall des gesamten Bauteiles. Auch hier bietet der 3D-Druck eine Lösung. Nach Angaben von Hilgenberg-Ceramics ermöglicht die Flexibilität des Verfahrens eine individuelle Konzeption der Kontaktstelle. So können durch sehr dünne Wandstärken und eine 3D-gedruckte Struktur an den Kontaktpunkten auftretende Spannungen zwischen Metall und Keramik dynamisch abgebaut werden. Andere Herstellungsverfahren benötigen oftmals Werkzeuganpassungen, die deutlich kosten- und zeitintensiver sind, heißt es.

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