3D-Drucken keramischer Bauteile

M. Schumacher, A. Grimm, R. Schüler Keram. Z. 62 (2010) [2]

3D-Drucken – RP-Bauteile mit richtungsabhängigen Eigenschaften

Zur Herstellung der keramischen Bauteile wurde als Rapid Prototyping Verfahren

das 3D-Drucken und als Maschine eine ZCorp ZP402 verwendet. Mittels

3D-Druckens war es möglich, keramische Modelle und Bauteile ausgehend

von CAD-Konstruktionen und 3D-Scans von Objekten herzustellen.

Verwendet wurden die verschiedensten keramischen Rohstoffe.

Die besten Resultate konnten mit Al2O3-Rohstoffen erzielt werden. Diese

wurden schließlich mit Schwerpunkt zur Analyse der Möglichkeiten des 3DDruckens

keramischer Objekte herangezogen. Da die klebende Komponente

nicht über den Canon-Druckkopf eingebracht werden konnte, wurde sie als

Trockenpulver in das keramische Pulver eingemischt. Die Druckerflüssigkeit

bestand aus Wasser als Hauptkomponente.

Erwartungsgemäß besaßen die gedruckten Bauteile eine dem schichtweisen

Aufbau und dem Zusammenkleben der einzelnen Granulate entsprechende

hohe Porosität, die ein recht geringes Festigkeitsniveau zur Folge

hatte. Verfahrenstechnisch bedingt waren die Eigenschaften der Bauteile

abhängig von der Orientierung des Bauteils im Druckraum. So ergaben sich

in z-Richtung des Schichtaufbaus die geringsten (σ0 = 5 MPa), in x-Richtung

des Druckerverfahrweges mittlere (σ0 = 10 MPa) und in y-Richtung des

Druckkopfverfahrweges die höchsten Festigkeiten (σ0 = 20 MPa).

Die technischen Einsatzfelder von 3D-gedruckten Keramikkörpern liegen

aufgrund der Eigenschaften z. B. in den Bereichen Filtration und Knochenersatz.

Auch sind Bauteilkonstruktionen machbar, die mit anderen traditionellen

Verfahren nicht zu erreichen sind. Weitere Einsatzmöglichkeiten dieser

Keramiken werden als verschleißfestere Kompositwerkstoffe nach Infiltration

mit Aluminium- und Bronze-Schmelze gesehen.

3D Printing – Rapid Prototyping Components with Properties Depending

on Orientation

3D Printing was used as a Rapid Prototyping process, using a ZCorp ZP402

printer, in order to manufacture ceramic components. By means of 3D

printing it was possible to produce ceramic models and components starting

from CAD constructions and 3D scans of the objects. Many different ceramic

raw materials were assessed, with the best results obtained for Al2O3

materials. These were ultimately used in order to analyse the capability of

3D printing in manufacturing ceramic objects. As the binder component

could not be introduced via the Canon printing head, it was blended into

the ceramic powder in dry form. An aqueous ink was used. As expected,

printed components displayed a high porosity, which is consistent with the

layer-by-layer construction method and the sticking together of individual

particles primarily within the layers. Thus a very low fracture strength resulted.

The properties of the components were dependent on their orientation

within the printing cavity. The smallest values were obtained in the zdirection

of the layer construction (σ0 = 5 MPa), with intermediate values

in the x-direction of the printer head movement (σ0 = 10 MPa) and the largest

values along y (σ0 = 20 MPa). Areas of technical application of 3D printed

ceramic objects, for example, are in filtration and bone substitution, as

a result of the porous properties. A main advantage of 3D printing is the

production of components, that cannot be made by traditional methods.

Further uses as wear-resistant composite materials, following infiltration

with aluminium and bronze melts are entirely conceivable.