Additive Fertigung Schicht um Schicht: neues Druckverfahren für Hochleistungskeramiken

Der 3D-Druck erobert immer weitere Bereiche der Industrie. Auch für besonders leistungsfähige Keramiken ist die additive Fertigung bereits einsetzbar. Ein lasergestütztes Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten.

Das Bauteil, das Jörg Lüchtenborg in den Händen hält, wirkt auf den ersten Blick unscheinbar: ein Dreieckskörper, groß wie ein Spielklötzchen, von grauer Farbe, innen hohl und mit Verstrebungen verstärkt. „Das ist das Modell einer Leichtbaustruktur aus Hochleistungskeramik. Vielleicht kann man mit solchen Elementen eines Tages Teile eines Satelliten bauen“, erklärt der Materialwissenschaftler und Doktorand an der BAM. „Das Material widersteht extremen Temperaturwechseln, wie sie im Weltall herrschen.“

Noch erstaunlicher: Das Werkstück stammt aus einem 3D-Drucker. Während die additive Fertigung von Kunststoffen und Metallen heute bereits viele Bereiche der Industrie revolutioniert, stößt sie bei Keramik noch auf Schwierigkeiten – und ist eben darum zugleich Gegenstand intensiver Forschungsanstrengungen.

Material mit besonderen Eigenschaften

Schon seit Jahrtausenden verwenden Menschen keramische Werkstoffe, um daraus Gefäße, Kultobjekte und Schmuck zu formen. In der letzten Dekade wurde das Material zu Hochleistungskeramiken weiterentwickelt, die durch besondere Eigenschaften bestechen: Sie sind ungewöhnlich hart und fest, zudem hitzebeständig und resistent gegen Verschleiß und Korrosion. Das macht sie attraktiv für zahlreiche Anwendungen, bei denen andere Werkstoffe versagen: für Turbinenschaufeln von Flugzeugen, Lager von Verbrennungsmotoren, Isolatoren von Zündkerzen oder Stromleitungen. Da Keramik sich noch dazu gut mit menschlichem Gewebe verträgt, kann sie auch für Knochenprothesen und Zahnfüllungen eingesetzt werden.

Herstellen lassen sich die Werkstücke auf mehrere Arten: Dabei kann jedoch entweder der Materialverlust sehr hoch oder benötigte Formen können sehr teuer werden. Daher sucht die Wissenschaft nach alternativen Produktionsverfahren. Seit rund zehn Jahren ist es möglich, Hochleistungskeramiken auch im 3D-Druck zu fertigen: Man vermischt dazu keramische Partikel mit großen Mengen an Kunststoff, druckt das Bauteil aus und brennt anschließend die Polymere, die das gewünschte Objekt wie eine schützende Matrix umgeben, im Ofen heraus. „Das Verfahren ist ein bedeutender Fortschritt, aber es funktioniert vor allem für Objekte mit einer Wandstärke von wenigen Millimetern, denn es können leicht Risse entstehen“, erklärt Jörg Lüchtenborg. Aber natürlich ist die Industrie längst an größeren und auch dickwandigen Bauteilen aus dem Hochleistungsmaterial interessiert.

Eine zufällige Entdeckung

Eine Zufallsentdeckung brachte einen entscheidenden Fortschritt: Jens Günster, der an der BAM Lüchtenborgs Doktorarbeit betreut und zugleich an der Technischen Universität Clausthal lehrt, erforscht mit seinem Team neue Methoden additiver Fertigung. Einmal untersuchten die Wissenschaftler im Labor auch die Wechselwirkung von Laserstrahlen und keramischen Suspensionen, also einer flüssigen Mischung aus Keramikpulver und Wasser. Unter der Einwirkung des Lasers entstand plötzlich eine feste Schicht. Die Forscher hatten nichts weniger als ein neues additives Fertigungsverfahren für Keramik entdeckt und meldeten es sogleich erfolgreich zum Patent an. Vielleicht – so ihre Idee – ließen sich so Schicht um Schicht ganze Objekte formen – also drucken. Allerdings war es ihnen nur gelungen, einige übereinanderliegende Keramiklagen und damit Proben von wenigen Millimetern Höhe mit dem Laser zu trocknen und zu verbinden – bis zur Anwendung war es also noch ein weiter Weg.

Jörg Lüchtenborg erforscht nun, wie sich mit dem Verfahren echte Bauteile und komplexe Strukturen herstellen ließen. Mehrere Monate experimentierte er im Labor mit Siliciumnitrid, einer Hochleistungskeramik, die sich durch besondere Festigkeit auszeichnet. Er befüllte eine kleine Wanne, etwa 20 mal 20 Zentimeter groß, mit einer Mischung der Keramik-Wasser-Suspension. Dann heizte er mit dem Laserstrahl die Oberfläche genau dort auf, wo später das keramische Bauteil entstehen sollte, und ließ gezielt das Wasser bei rund 100 Grad Celsius verdampfen. Es entstand ein Sog, der umliegende Keramikpartikel heranzog. Sie verdichteten sich zu einer festen Struktur und bildeten eine erste Schicht aus. Dann senkte Lüchtenborg die Wanne ein wenig ab, trug eine weitere Schicht der Keramik-Wasser-Mischung auf und begann die Prozedur von Neuem.

Schrumpfung bei über 1500 Grad

„Es galt vor allem, die richtigen Parameter für den Laserstrahl zu finden: für seine Leistung und die Dauer der Belichtung. Denn bei zu hoher Energiedichte verdampft das Wasser schlagartig und die Keramikpartikel werden herausgeschleudert. Ist die Energie hingegen zu gering, verfestigen sie sich nicht wie gewünscht“, so Lüchtenborg. Schließlich gelang es dem Doktoranden, die richtigen Einstellungen für einen stabilen Prozess zu finden und so viele Lagen übereinander zu schichten, dass ein Probekörper von acht Zentimetern Höhe und einer Wandstärke von gut sechs Millimetern in der Wanne wuchs. Anschließend wurde das Objekt bei über 1500 Grad Celsius im Ofen gesintert, also gebrannt. Dadurch verbinden sich die Partikel im Inneren. Die Keramik verdichtet sich, schrumpft dabei um 14 Prozent und wird erst richtig stabil.

Das patentierte Verfahren muss zwar noch weiter erforscht werden; weil aber kein stützender Kunststoff mehr weggebrannt werden muss, sind nun Bauteile von größerem Volumen möglich. Und vielleicht wird aus Objekten wie dem grauen Dreieck eines Tages tatsächlich ein Element für einen Satelliten im All. Inzwischen ist das Patent an ein Unternehmen verkauft und wird für die kommerzielle Anwendung erprobt. Das BAM-Team testet bereits, ob es sich auch auf andere Materialklassen wie Baustoffe übertragen lässt.