Keramik 3D-Druck: Eine Revolution in der additiven Fertigung?

Der Ursprung der Verwendung von Keramik geht auf das antike Griechenland zurück, wo man bereits Ton bei Temperaturen bis zu 500ºC gebrannt hat. Dieser wurde ursprünglich für die Erstellung von Töpfen und Tellern verwendet. Viele Jahre später, gegen Ende des 19. Jahrhunderts, wurden die vorteilhaften Eigenschaften dieser Materialien schließlich für industrielle Zwecke entdeckt und kommen seither hauptsächlich als thermische und elektrische Isolatoren für Motoren zum Einsatz. Aufgrund der langen Geschichte des Materials war es jedoch nur eine Frage der Zeit, bis auch der 3D-Druck die Keramik nutzt. Keramische Materialien weisen mechanische Eigenschaften auf, mit welchen hochauflösende Geometrien erzielt werden können, was mit herkömmlichen Techniken nicht möglich wäre.

Der jüngste Bericht der Firma SmarTech Publishing über die Entwicklung des 3D-Keramikdrucks gibt an, dass der Gesamtmarkt für Keramik bis zum Jahr 2030 weltweit bis zu 4,8 Milliarden Dollar generieren wird. Obwohl der Keramikdruck noch nicht so etabliert ist wie etwa der Kunststoff 3D-Druck oder der Metall 3D-Druck, ist das Potenzial definitiv vorhanden. Der Studie zufolge wird der 3D-Druck mit Keramik im Jahr 2025 zur Reife kommen und soll sich fortan als Fertigungstechnik für verschiedenste Branchen etablieren. Laut dem SmarTech Bericht zählen zu den wichtigsten Unternehmen für den 3D-Druck mit Keramik: 3DCeram-Sinto, Lithoz, Prodways, Admatec/Formatec, ExOne, voxeljet, SGL Carbon, Schunck Carbon Technologies, XJet, Nanoe und Johnson Mattheys.

Entwicklung des Keramik-3D-Druckmarktes bis zum Jahr 2030. (Bild: SmarTech Publishing)

Entwicklung einer neuen Keramiktechnologie

In der Vergangenheit war Ton das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von keramischen Materialien, was vor allem darauf zurückzuführen ist, dass es sich um ein natürliches Material handelt, welches in nahezu jeder Umgebung leicht zu finden ist. Mit der zunehmenden Beliebtheit sind weitere Anwendungsmöglichkeiten hinzugekommen. So finden wir heute verschiedene Arten von Keramik: am häufigsten findet man das Material im häuslichen Bereich: für Geschirr, Kacheln, etc…; außerdem gibt es sogenannte Strukturkeramik, welche im Bauwesen Verwendung findet: für Fliesen oder Ziegel; feuerfeste Keramik, welche für Verkleidungen verwendet wird; und technische Keramik: Materialien mit hoher mechanischer, thermischer, chemischer und elektrischer Beständigkeit. Letztere beinhaltet keinen Ton im Material und wird deshalb gerne in Branchen wie der Automobil- oder Luftfahrtindustrie genutzt.

Ton ist ein traditionelles Material, das bei der Herstellung verwendet wird. Bildnachweis: Cerámicas Baltà

Wie bei den verschiedenen Materialtypen gibt es derzeit verschiedene Methoden für den 3D-Druck mit Keramik, darunter finden sich bekannte Technologien wie SLA und DLP, Binder Jetting, oder LDM (Liquid Deposition Molding), welches unter anderem vom italienischen Hersteller WASP genutzt wird. Häufig wird bei der additiven Fertigung mit Keramik auch von LCM gesprochen, was für „Lithography-based Ceramic Manufacturing“ steht. Des Weiteren kann das Nano Particle Jetting des israelischen Unternehmens XJet für die Herstellung von 3D-gedruckten Keramikteilen eingesetzt werden.

Binder Jetting auf keramische Materialien spezialisiert

Binder Jetting war eine der Technologien, welche damit begann keramische Pulver für die additive Fertigung zu nutzen. Die Anfänge des 3D-Druck Verfahrens findet man in den 90er Jahren, als das Binder Jetting durch ein Projekt des MIT entstand, welches anschließend von der Z Corporation übernommen wurde und einige Jahre später zur Gründung von 3D Systems führte. Die Technik funktioniert so, dass keramische Pulver unter Verwendung eines einfärbbaren Bindemittels miteinander “verklebt” werden, und sich so auf einem Pulverbett festigen. Dadurch entsteht Schicht für Schicht das fertige Modell. Mit dieser Technologie können selbst vollfarbige Modelle verwirklicht werden, welche jedoch für einige industrielle Zwecke nicht widerstandsfähig genug sind.

3D-Drucktechnologie für keramische Materialien: Binder Jetting. Bildnachweis: Johnson Matthey

Stereolithographie und Photopolymerisation von keramischen Materialien

Auch andere Technologien, wie die Stereolithographie, existieren seit den Anfängen der additiven Fertigung, haben jedoch erst später den 3D-Druck von keramischen Materialien integriert. Zu den wohl wichtigsten Pionieren im 3D-Druck mit Keramik zählt das französische Unternehmen 3DCeram.

„2005 beschloss Christophe Chaput, die Möglichkeit von additiver Fertigung in Kombination mit Keramik zu untersuchen. Er begann mit dem Druck von biomedizinischen Teilen, wie Schädelimplantaten. Im Jahr 2009 kauften er und ich das Unternehmen Cerampilot und beschlossen, den Namen in 3DCeram zu ändern und das Geschäftsmodell zu ändern, d.h. Teile nur noch im 3D-Druck herzustellen„, sagte Richard Gaignon, CEO von 3DCeram, nachdem wir ihn nach den Ursprüngen seiner Entwicklungen gefragt hatten. Ab 2014 widmete sich das französische Unternehmen auch der DLP-Technologie, indem es einen UV-Laser in seine Maschinen integrierte. Inzwischen verfügen sie über eine breite Palette von 3D-Druckern wie den C900 HYBRID, eine Hybridmaschine, die mehr als ein Material gleichzeitig drucken oder der C900 FLEX für die Kleinserienfertigung. Wer mit dem Keramik 3D-Druck hoch hinaus will, kann auf den C3600 ULTIMATE zurückgreifen, eine Profi-Maschine für die Fertigung von technischen Keramikteilen in der Großserie. 

Additive Fertigungslösung von 3DCeram. (Bild: 3DCeram)

Neben den Entwicklungen des französischen Unternehmens gibt es Akteure wie den Riesen 3D Systems, der Keramikharze in seinem Materialrepertoire hat. Auch das amerikanische Unternehmen Formlabs, das sich auf Desktop SLA-Drucker spezialisiert hat, vertreibt dies. Das niederländische Unternehmen ADMATEC ist spezialisiert auf technisches Keramik und die Fertigung mit der DLP-Technologie.

Auch mit Desktop-3D-Druckern kann man Keramikharze verwenden. Bildnachweis: Formlabs

Materialabscheidung oder Liquid Deposition Modelling

 Die Technik der Deposition von Material oder auch LDM (Liquid Deposition Modeling) genannt, ist die Technik, die sich am stärksten unter den verschiedenen Akteuren verbreitet hat. Keramisches Material wird in Schichten abgeschieden, bis das Stück oder Modell geformt ist, ähnlich, wie bei der FDM-Technik, jedoch mit an das Material angepassten Extrudern. Diese Technik ist auch die kostengünstigste, da Ton- und Füllpolymere die Hauptmaterialien sind.

Aus der Nutzung dieser Technik entstanden viele Hersteller von Desktop-Druckern, die immer beliebter wurden, wie der 2017 eingeführte ClayXYZ oder der 2018 auf den Markt gebrachte LUTM V4 mit eher künstlerischem Charakter. Einer der bekanntesten Hersteller ist das italienische Unternehmen WASP, das in großem Stil aus keramischen Materialien herstellt. Sie bauten ein ganzes ein Dorf mit lokalen Materialien und fördern so nachhaltige Produktion in den Bereichen Bau und Möbel mithilfe der additiven Fertigung. Auch eine 3D-gedruckte Wand mit eingebauter Treppe sowie das erste bewohnbare 3D-gedruckte Haus, gehören zu ihren Errungenschaften.

Liquid Deposition Modelling. Bildnachweis: WASP

NanoParticle Jetting ™

Die Technologie NanoParticle Jetting ™ wurde von der israelischen Firma XJET entwickelt, dank der Erfahrung ihres CEO Hanan Gothiat, welcher auch Objet Geometries gegründet hat, ein Unternehmen das die Polyjet-Technologie verwendet. Nach jahrelanger Arbeit und mehr als 80 Patenten im Gepäck brachte er 2016 das NanoParticle Jetting ™ auf den Markt, eine Technologie, die für Metall und Keramik entwickelt wurde. Die ersten Lösungen waren die 3D-Drucker Carmel 1400 und Carmel 700 AM.

„Der Schlüssel zum NanoParticle Jetting ™ ist seine einzigartige Methodik der Flüssigdispersion. Flüssige Suspensionen, die feste Nanopartikel aus ausgewählten Trägermaterialien und Baumaterialien enthalten, werden in die Fertigungsschale eingespritzt, um zusätzliche Detailteile herzustellen. Die flüssigen Suspensionen werden problemlos geliefert und in verschlossenen Kartuschen installiert„, sagte Hanan Gothait. „Die Präzision der Tintenstrahldruckköpfe sowie der Einsatz ultradünner Schichten, die eine superscharfe Z-Auflösung erzeugen, sind wichtige Faktoren, die bei XJet-Maschinen nahezu problemlos möglich sind. Dies ist entscheidend, damit 3D-gedrucktes Keramik eine hervorragende Form- und Maßtoleranz erreichen.“

Carmel 1400, eine von dem israelischen Unternehmen entwickelte Maschine. Bildnachweis: XJet

Im Bereich 3D-Druck mit Keramik nehmen die technischen und materiellen Entwicklungen immer weiter zu. Vor einigen Wochen kündigte der japanische Konzern Canon seine Technik für keramische Materialien an, sowie für ein Material, das mit SLS-Maschinen verwendet werden kann. Es wird erwartet, dass in den kommenden Jahren mehr Akteure die Entwicklung dieser Technologie weiter vorantreiben werden.

3D-Druck mit Keramik wird in verschiedenen Branchen eingeführt

Die Einführung von technischen Keramikwerkstoffen in verschiedenen Industrien wird jeden Tag als langfristiger Nutzen angesehen. Viele Unternehmen werden dank der heute existierenden 3D-Keramikdruckdienstleistungen gegründet. Große Akteure in diesem Bereich wie Materialise oder Shapeways bieten verschiedene Fertigungsmöglichkeiten. Die Hersteller selbst bieten auch 3D-Druckdienstleistungen wie 3DCerams oder Admatec an. Aber auch traditionelle Keramikunternehmen entscheiden sich für die additive Fertigung.

Verschiedene Entwicklungen für die Industrie sind mit dem 3D-Keramikdruck entstanden. Bildnachweis: XJet

„Cerámicas Baltà ist eine Werkstatt mit mehr als 30 Jahren Erfahrung in der traditionellen und künstlerischen Keramik. Die Notwendigkeit, die additive Technologie in der Werkstatt zu implementieren, schließt sich im Wesentlichen aus drei Punkten: eine neue wirtschaftliche Chance zu eröffnen, unseren Kunden neue Fertigungsmöglichkeiten zu bieten und in einen Nischenmarkt mit vielen Möglichkeiten einzutreten, für den wir im Haus 3 konsolidierte Werkzeuge hatten: Wissen über Design und digitale Modellierung + Keramikwissen + Keramikinfrastruktur„, kommentierte Martí Baltà, CEO von Cerámicas Baltà und Protopenedes 3D.

Hersteller wie dieses katalanische Unternehmen mit langjähriger Erfahrung im Bereich der Keramik betrachten es als ein sehr vielseitiges Material mit großer Widerstandsfähigkeit und vielseitigen Eigenschaften. 

Martí Baltà in der Werkstatt für Keramik-3D-Druck. Bildnachweis: Taller Baltà

„Es ist ein Material, das einmal gesintert in allen Fällen inert und ökologisch ist, es gibt Mischungen von keramischen Materialien mit großen Eigenschaften in der thermischen oder elektrischen Isolierung. Und was nie vergessen werden darf, wenn wir über den Keramikdruck sprechen, geht es um das Endprodukt, nicht um den Prototyp„, so Baltà weiter.

Unternehmen wie XJet sahen vor einigen Jahren die Möglichkeit, den 3D-Druck mit Keramik für Endprodukte zu verwenden. In den letzten Jahren haben sie gesehen, dass verschiedene Branchen wie Gesundheit, Energie und Automobil, die die additive Fertigung ursprünglich nur für Kunststoffe oder Metalle eingeführt hatten, nun beginnen, Keramiktechnologien zu verwenden.

Bildnachweis: XJet

„Es wird erwartet, dass sich die Technologie als gültiges, notwendiges und sogar bevorzugtes Herstellungsverfahren durchsetzt„, ergänzt Hanan Gothait. “Der 3D-Druck mit Keramik steckt noch in den Kinderschuhen, wächst aber rasant. Der Haupttreiber dafür ist der wachsende Bedarf an höherer Temperaturbeständigkeit, Festigkeit und Beständigkeit von Teilen und Komponenten, die Metalle an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit bringen, wo technische Keramiken sehr gut abschneiden.“

Wie sieht die Zukunft von 3D-Druck mit Keramik aus?

Es besteht kein Zweifel daran, dass die Entwicklung der additiven Fertigungstechniken mit keramischen Materialien auch in der Zukunft fortbestehen wird. Aber wie alle anderen 3D-Drucktechniken wird dies in jeder Branche unterschiedlich eingesetzt. So wie der 3D-Druck von Metallen in der Luft- und Raumfahrt oder in der Automobilindustrie eine besondere Rolle spielt, muss der 3D-Druck mit Keramik seinen Platz finden. Dies sollte jedoch nicht mehr lane dauern, da Hersteller wie 3DCeram wissen, dass in 10 Jahren die Reifung dieser Branche kommen wird. In diesem Abschnitt spielen Materialien eine Schlüsselrolle, obwohl technische Materialien für bestimmte Branchen sehr attraktiv sind, haben traditionellere Keramiken auch Vorteile für ein künstlerischeres Umfeld.  

Die Produktion im 3D-Keramikdruck nimmt täglich zu. Bildnachweis: Taller Baltà

„Im Bereich Design und Handwerk wird LDM für fast alle Werkstätten junger Keramiker zu eine Rolle spielen, wenn diese bereits in ihrem Studium näher an die die digitale Modellierung und den Druck mit dieser Technologie herangeführt wurden„, sagt Martí Baltà über die Zukunft dieser Branche. Er kommentiert dies auch in seiner Stellungnahme: „Im medizinischen Bereich wird DLP oder SLA immer häufiger in der Implantologie eingesetzt und das Binder Jetting wird viele Möglichkeiten haben, die Nische für den prothetischen Bereich zu füllen„. Letztere wird aufgrund der Qualität der Teile auch von verschiedenen Branchen am besten angenommen.

Die Verbreitung von Technologien für den 3D-Druck mit Keramik ist bereits in vollem Gange, aber es gibt noch immer Details, die Hersteller, Dienstleister und Anwender berücksichtigen müssen, bevor sie sich dieser Technik anschließen. XJet CEO: „Es gibt einige wichtige Herausforderungen, die bewältigt werden müssen, um dieses Wachstum zu erreichen, zum Beispiel Ausbildungsprogramme für Keramik-Ingenieure. Außerdem Fachleute für 3D-Druckkeramik und mehr. Ein wesentlicher Schritt in dieser Richtung ist die Implementierung dieser Technologie durch die Hauptakteure des Keramikmarktes, darunter Hersteller, Dienstleister und Endverbraucher. Sobald dieser Prozess beginnt, wird er wie ein Schneeball wachsen und 3D-Druck mit Keramik in eine legitime und beliebte Technologie verwandeln.”

Die Ausbildung im 3D-Keramikdruck werden der Schlüssel zum Wachstum der Technologien sein.

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