Die verschiedenen Keramikarten für den 3D-Druck
Obwohl viele bei Keramik zuerst an Töpferwaren oder Porzellan denken, gehören technische Keramiken zu den stärksten und widerstandsfähigsten Materialien der Welt. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Kategorien – Oxide und Nicht-Oxide – besteht darin, dass ein Oxid mindestens ein Sauerstoffatom zusammen mit einem anderen Element enthält, was ihm unterschiedliche Eigenschaften verleiht. Nichtoxidische Keramiken haben eine bessere elektrische Leitfähigkeit und einen höheren Härtegrad, während Oxidkeramiken leichter zu schmelzen und zu sintern sind, was ihre Verwendung in der Fertigung erleichtert. Es ist daher nicht verwunderlich, dass diese technischen Keramiken im 3D-Druck in verschiedenen Formen wie Filamenten, Pulver und Harzen verwendet werden können. In der folgenden Auflistung sehen wir uns genauer an, welche technischen Keramiken mit der additiven Fertigung kompatibel sind, wobei wir andere häufig verwendete keramische Materialien wie Ton ausschließen, da diese Materialien in Verbindung mit 3D-Technologien zunehmend für Anwendungen in allen Bereichen von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zur Biomedizin eingesetzt werden.
Oxidierte Keramiken
Aluminiumoxid
Die Aluminiumoxid-Keramik, die in den 3D-Druck integriert wurde, bietet Perspektiven für verschiedene Anwendungen. Aufgrund seiner Schmelztemperatur von über 2000°C weist es eine hohe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Temperaturschocks auf. Aluminiumoxid wird wegen seiner bemerkenswerten Härte ausgewählt, die es gleich nach dem Diamanten zum härtesten natürlichen Material macht. Aluminiumoxid wird auch wegen seiner Korrosions- und Temperaturbeständigkeit, seiner elektrischen Isolation, seiner Wärmeleitfähigkeit und seiner Biokompatibilität geschätzt. Es findet sich in wichtigen Anwendungen wie Elektronik (Isolatoren), biomedizinischen Prothesen, Schneidwerkzeugen sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Bild: Umicore
Zirkoniumdioxid
Zirkoniumoxid, das auch als Zirkoniumdioxid bekannt ist, zeichnet sich durch seine bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen aus. Bei Raumtemperatur hat dieses Material eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit, doch wenn es extremen Bedingungen ausgesetzt ist, zeigt es bemerkenswerte Eigenschaften. Bei Temperaturen über 1000 °C verwandelt sich Zirkoniumdioxid in einen hervorragenden elektrischen Leiter. Seine große Härte, Verschleißfestigkeit, chemische Trägheit und die Fähigkeit, Angriffen von Metallen zu widerstehen, machen Zirkonium zu einem bevorzugten Material für verschiedene Anwendungen wie Schmuck, biomedizinische Geräte, biomedizinische Implantate (insbesondere Zahnimplantate) und elektronische Geräte.
Bild: 3DCeram
Silikore
Eine weitere Keramik, die in der additiven Fertigung Anwendung findet, ist das Material Silikore. Es ist eine Keramikformulierung, die besonders für Kerne der Gießerei hergestellt wird. Der Hauptbestandteil von Silicore ist Siliziumdioxid. Ein Vorteil dieser Keramikformulierung ist ihre Porosität, wodurch das Entformen von komplexeren Strukturen an Gussteilen und die Auswaschung deutlich vereinfacht wird. Darüber hinaus ist diese Art der Keramik durch seine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit und Festigkeit gegen einwirkende Belastungen gekennzeichnet. Des Weiteren ist Silikore verwendbar mit fast allen Legierungen, außer der kobalthaltigen. Zudem ist die Keramikformulierung durch ihre Stabilität bei selbst sehr hohen Temperaturen gekennzeichnet.
Bild: 3DCERAM
Kordierit
Cordierit Werkstoffe basieren auf Magnesium Aluminium Silikaten, die beim Sintern von Speckstein oder Talkum entstehen, wobei Ton, Kaolin, Schamotte, Korund und Mullit hinzugegeben werden. Cordierit-Keramiken finden vor allem in der Luft- und Raumfahrt für optische Teile Anwendung, aber auch in der Elektrowärmetechnik. So werden zum Beispiel Isolierkörper für elektrische Durchlauferhitzer, Heizleiterträger oder Gasbrennereinsätze mit Cordieriten hergestellt. Das liegt daran, dass sie über einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten verfügen und somit gute Beständigkeit bei Temperaturwechseln aufweisen. Darüber hinaus ist Cordierit verschleißfest, weist eine gute mechanische Festigkeit auf und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Es eignet sich auch für Vakuumanwendungen. Man unterscheidet zwischen porösem und dichtem Cordierit. Das poröse Cordierit hat im Vergleich zur dichten Version eine niedrigere Biegefestigkeit, aber eine höhere Temperaturwechselbeständigkeit.
Bild: Keramikverband
Hydroxylapatit
Hydroxylapatit kann als biokeramisches Material definiert werden. Es ist ein Mineral, das zur Gruppe der Apatite gehört und auch einer der Hauptbestandteile von Knochen ist. Es wird im 3D-Druck und mit anderen Technologien im biomedizinischen Bereich zur Knochenrekonstruktion verwendet. Hydroxylapatit ist auch ein bioaktives Material, d. h. es ist in der Lage, direkte chemische Verbindungen mit dem Knochen- und Weichgewebe lebender Organismen einzugehen. Das macht es besonders interessant, denn Hydroxylapatit-Implantate sind resorbierbar, das heißt, sie müssen nach der Implantation nicht mehr aus dem Körper entfernt werden. Der 3D-Druck von Hydroxylapatit wird hauptsächlich für die Herstellung von Schädel-, Wirbelsäulen- und orthopädischen Implantaten verwendet.
Bild: 3DCERAM
Mit Aluminiumoxid verstärktes Zirkoniumdioxid (ZTA/ATZ)
Tonerde, auch bekannt als Aluminiumoxid, ist die wichtigste Verbindung in der Zusammensetzung von Tonen und Glasuren. Zirkoniumdioxid hingegen, das als kleine Schwester des Diamanten gilt, hat eine große Ähnlichkeit mit den Eigenschaften des Diamanten, was es zu einem sehr widerstandsfähigen Edelstein macht. Aus diesem Grund ist zirkoniumdioxidgehärtetes Aluminiumoxid ein hervorragendes keramisches Material. Zu seinen Hauptanwendungsgebieten gehören industrielle Anwendungen, aber vor allem biomedizinische Anwendungen. Dank seiner beeindruckenden Härte und Zähigkeit nach der Mohs’schen Härteskala in Verbindung mit seiner hohen Biokompatibilität, Verschleißfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit eignet sich aluminiumoxidverstärktes Zirkoniumdioxid hervorragend für den Dentalbereich. Zu seinen Hauptanwendungen gehören orale Implantate, zahnmedizinische Teile und verschleißfeste Teile.
Bild: CHEMCO
Nicht-oxidierte Keramiken
Borcarbid
Borcarbid (B4C) ist ein Material, das für seine Härte bekannt ist: Es ist nach Diamant und kubischem Bornitrid eines der härtesten Materialien der Welt. Diese Keramik hat eine ausgezeichnete Verschleiß-, Druck- und Hitzebeständigkeit, eine geringe Dichte und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Sie wird hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt (Herstellung von Düsen), in der Kernenergie und bei der Herstellung von Panzerungsausrüstung wie kugelsicheren Westen oder Panzern verwendet. Im Bereich der additiven Fertigung ist Borcarbid nicht die am häufigsten verwendete Keramik, aber sie ist in Form von Filamenten – Borcarbid wird für gewöhnlich mit einem Polymer gemischt – und auch in Form von Granulaten erhältlich.
Borcarbid Fiven B4C (Bild: Fiven)
Siliziumnitrid
Eine der interessantesten technischen Keramiken für die additive Fertigung ist Siliziumnitrid. Es ist eine Keramik, die in der Natur in Form eines Minerals (Nierit, das in einigen Meteoriten vorkommt) existiert. Eine andere Möglichkeit, es zu erhalten, ist das Erhitzen von Siliziumpulver in einer Stickstoffatmosphäre von bis zu 1400°C. Siliciumnitrid zeichnet sich durch eine hohe Abrieb-, Korrosions- und Splitterbeständigkeit aus. Es ist nicht nur ein ideales Material für die Herstellung leichter, formstabiler Teile, sondern auch ein guter elektrischer Isolator und hat eine geringe Benetzbarkeit mit geschmolzenen Metallen. In Verbindung mit der additiven Fertigung bietet diese technische Keramik eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in einer Vielzahl von Branchen. Zu den wichtigsten Anwendungen gehören die Herstellung von Halbleitern, Ventil- und Pumpenkomponenten sowie Heizungsrohren.
Bild: UBE Gesellschaft
Aluminiumnitrid
Bei Aluminiumnitrid (AIN) handelt es sich um eine chemische Verbindung von Aluminium und Stickstoff. Aluminiumnitrid ist ein Werkstoff der Technischen Keramik. Es zeichnet sich durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Isolierung und gute mechanische Festigkeit aus. Daher findet Aluminiumnitrid vor allem in der Elektronikindustrie Anwendung, insbesondere auch in der Mikroelektrik. Es wird für Schaltungsträger, den Halbleiterbau und für Kühlkörper in der LED-Lichttechnik eingesetzt, um nur einige Beispiele zu nennen. Aluminiumnitrid verfügt außerdem über eine gute Plasmabeständigkeit und ist bei der Verarbeitung nicht gesundheitsschädlich.
Bild: 3DCeram
Siliziumkarbid
Siliziumkarbid, das auch unter dem Namen Karborund bekannt ist, ist eine äußerst widerstandsfähige Verbindung. Die Zusammensetzung ähnelt der eines Diamanten, was unmöglich erscheinen mag, da die Größe von C und Si in dieser Verbindung unterschiedlich ist. Es gibt eine lange Liste von Verbindungen, die aus Siliziumkarbid gewonnen werden, darunter gesinterte oder rekristallisierte, aber alle haben eine Reihe von Eigenschaften gemeinsam, die sie zu beeindruckenden Keramiken machen. Was die Qualitäten dieser Keramiken betrifft, so zeichnen sie sich durch ihre gute Temperaturwechselbeständigkeit und Verschleißfestigkeit aus, obwohl sie ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind. Dies und die hohe Korrosionsbeständigkeit, die große Härte und die unglaublichen mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen machen sie zu einem perfekten Verbundwerkstoff für die Automobil- und Energieindustrie. Zu seinen Hauptanwendungen gehören Teile für Heizungen, Elektrofahrzeuge und Ladestationen für Elektrofahrzeuge.
Bild: Arrow.com
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