Hybride Lösungen in Keramik

Hybride Lösungen in Keramik

Hybride Lösungen in Keramik

Keramik hat viele herausragende Eigenschaften, die das Material als Werkstoff für technische oder medizinische Anwendungen interessant machen. Jeder kann sich selbst ein Bild von diesen Qualitäten machen: Die Kochplatte des Küchenherds aus Glaskeramik übersteht einen Temperaturschock von 750 Grad unbeschadet und verzieht sich dabei nicht einmal, die Keramik des Kamins macht selbst bei 2500 Grad noch eine gute Figur. Und die Zahnkrone aus Keramik ist hart und stabil genug, um Nüsse und Fleisch jahrelang zu zermalmen. Hohe mechanische Festigkeit, geringe thermische Ausdehnung, große Härte sowie gute Verträglichkeit im menschlichen Körper zeichnen den Werkstoff aus. Doch die heute üblichen Herstellungsverfahren sind aufwendig und teuer. Außerdem stoßen sie rasch an ihre Grenzen, was die herstellbare Geometrie angeht. Einzelstücke wie Zahnimplantate oder Kleinserien sind nur zu hohen Kosten möglich und an komplexe Geometrien ist gar nicht zu denken.

Additive Fertigung von keramischen Bauteilen

Die additive Fertigung bietet einen vielversprechenden Aus- weg. Im Labor des Fraunhofer IPA steht eine eigens entwickelte Anlage für die additive Fertigung keramischer Bauteile, die zeigt, wie es gehen kann. Die Arbeitsfläche beträgt 10 mal 10 Zentimeter und ist damit ausreichend für viele Anwendungen. Die funktionalen Elemente der Maschine liegen hinter Glas, sodass sich die Arbeitsweise gut studieren lässt.

Im ersten Schritt wird eine Dosiereinheit – eine Breitschlitzdüse für effizienten Materialauftrag oder mehrere Dispensventile für Multi-Materialstrukturen – über die Arbeitsfläche bewegt. Sie trägt eine dünne Schicht einer hochviskosen Suspension auf. Diese besteht aus einem Keramikpulver, meist Aluminiumoxid oder Zirkonoxid, einem monomeren Stützmittel sowie einem sogenannten Photoinitiator – einer chemischen Verbindung, die nach Absorption von UV-Licht die Aushärtung in Sekundenbruchteilen startet.

In der Rückbewegung der Einheit glättet eine rotierende Stahlrolle die Oberfläche und trägt überschüssiges Material ab. Die Schichtdicke lässt sich zwischen 15 und 100 Mikrometern einstellen. Schließlich senkt sich eine UV-Lampe herab und härtet die Suspension selektiv aus, indem die Monomere zu polymeren Ketten vernetzt werden. Unverfestigte Bereiche bleiben flüssig und dienen als Stützmaterial für weitere Schichten. So entsteht Schicht für Schicht ein dreidimensionales Gebilde bis zu einer Höhe von 10 Zentimetern. 

Ist der sogenannte Grünkörper – ein ungesinterter Rohling – fertig, geht es weiter wie bei konventionellen Verfahren: Das polymere Stützmittel wird ausgebrannt und das Werkstück schließlich bei noch höheren Temperaturen zu einer festen Keramik gesintert. Die Entwicklung solcher Anlagen und Versuchsstände sowie die Modifikation entsprechender Fertigungsprozesse bilden einen Schwerpunkt im Leistungsportfolio des Fraunhofer IPA.

Funktionsintegration durch hybride Prozessketten

So elegant der Drucker vorgeht und so vielseitig er sich ein- setzen lässt, alle Anforderungen können nicht erfüllt werden. Vor allem arbeitet er – noch – nicht mit der gewünschten Präzision, sodass die Bauteile in mancher Hinsicht mit herkömmlich hergestellten nicht mithalten können. Doch dieses Manko lässt sich kompensieren, sodass der Drucker wieder im Vorteil ist. Der Trick: Die IPA-Experten nutzen das gedruckte keramische Bauteil als Basis und integrieren andere Werkstoffe und Bauteile, die mit konventioneller Technologie entstanden sind. Beispielsweise werden elektrische Leiterbahnen aufgetragen oder Metallinlays auf die Keramik gelötet, die für die benötig- te Genauigkeit sorgen. Um sie fest mit der Keramik zu verbinden, mussten die Forscher lange tüfteln, bis sie schließlich eine geeignete Lotpaste gefunden haben. Bei Temperaturen um 700 Grad verbindet sie Metall und Keramik zu einer festen Einheit. Die Kupferinlays lassen sich anschließend mit Präzisionsdreh- oder -fräsverfahren so bearbeiten, dass exakt ausgerichtete Oberflächen mit korrekten Neigungen entstehen. Um zum gewünschten Ergebnis zu kommen, durchläuft das Bauteil also eine ganze Reihe unterschiedlicher Fertigungsschritte, in der additive und konventionelle Technologien zu einer maßgeschneiderten, hybriden Prozesskette kombiniert werden.

Optisches Gerät als Anwendung

Was diese Vorgehensweise alles möglich macht, haben Fraunhofer IPA und IOF mit einem Bauteil für ein optisches Gerät gezeigt. Die Anforderungen waren extrem hoch. Vor allem musste der Aufbau hochpräzise sein, damit sich in den Strahlengang der Optik keine Fehler einschleichen. Schon Abweichungen von Bruchteilen eines Millimeters hätten fatale Folgen. Zudem sollte das Bauteil möglichst leicht und steif sein, weil es für einen möglichen Einsatz im Weltraum gedacht ist. Wegen der hohen Temperaturschwankungen im All war Keramik der Werkstoff der Wahl. Auch auf der Erde bevorzugt jeder Experte, der mit Optik zu tun hat, dieses Material, da es eine geringe thermische Ausdehnung besitzt.

Zusätzlich sorgen wabenförmige Leichtbaustrukturen in der Keramik für effiziente Materialverwertung und Kühlkanäle, die sich durch das Material ziehen, für lokale Wärmeabfuhr. Diese komplexe und funktionsintegrierte Geometrie ist nur mit generativer Vorgehensweise möglich.

Perspektiven keramischer Anwendungen

Natürlich eignet sich Keramik nicht nur für optische Geräte. Auch gedruckter Zahnersatz ist ein interessanter Anwendungsfall, da es sich grundsätzlich um Einzelstücke handelt, die in Form und Farbe individuell sind, sowie in Stückzahl 1 benötigt werden. Auch hier hat das Stuttgarter Team Vorarbeit geleistet. Die Anforderungen waren allerdings ganz anders gelagert. Ein natürlicher Zahn ist nicht nur individuell gefärbt, sondern auch inhomogen aufgebaut: außen hart, innen weich.

Den Experten ist es gelungen, diesem natürlichen Vorbild nahe zu kommen. Denn der IPA-Drucker verfügt über die Möglichkeit, mehrere Materialien innerhalb einer Schicht zu verarbeiten. Auf diese Weise lassen sich inhomogene Werkstücke oder gar graduell abgestufte, also gradierte Übergänge verwirklichen. Auf diese Weise können die mechanischen sowie die optischen Eigenschaften natürlicher Zähne imitiert werden. 

In laufenden und zukünftigen Forschungsvorhaben verfolgen die Wissenschaftler das Ziel, die Effizienz der entwickelten Anlage sowie die Qualität der Produkte weiter zu verbessern und keramischen Komponenten neue Anwendungsfelder zu erschließen.

Klaus Jacob/jdw

Kontakt

Patrick Springer
Telefon: +49 711 970-1996
E-Mail: patrick.springer@ipa.fraunhofer.de