24.04.2018

Prüfung einer Keramikprobe mittels RCT

Eine Keramikprobe wird mittels Röntgencomputertomographie detailliert untersucht, um mögliche Defekte im Material zu erkennen

Quelle: BAM

Ob Knochenersatz, Werkzeuge oder Autoteile – viele Produkte können heute per 3D-Druck hergestellt werden. Dabei lassen sich anhand von dreidimensionalen Computermodellen schichtweise Objekte aus verschiedenen Werkstoffen erstellen. Das Ausgangsmaterial ist pulverförmig, häufig handelt es sich um Keramik, Kunststoff oder Metall. Das Pulver wird Schicht für Schicht aufgetragen. Die einzelnen Lagen werden zum Beispiel durch ein Harz miteinander verklebt oder von einem Laserstrahl verschmolzen.

Prof. Dr. Jens Günster erforscht und entwickelt 3D-Pulverdruckverfahren für die sogenannte additive Fertigung. Er und sein Team haben bereits einige grundlegende Beiträge zur Verbesserung der additiven Fertigung geleistet. So haben sie beispielsweise die Rieselfähigkeit und die Korngröße der im 3D-Drucker eingesetzten Pulver optimiert, was zu einer Verbesserung des gedruckten Produktes beiträgt. Vielversprechend ist auch die Idee, als Ausgangsmaterial Suspensionen zu verwenden.

3D-Pulverdruckverfahren sind vielversprechend

Für Unternehmen ist 3D-Druck derzeit vor allem für die der Produktion kleinerer Stückzahlen von individuellen Produkten von Kleinstserien oder im Rahmen einer schnellen Prototypen-Fertigung, dem Rapid Prototyping, attraktiv. „3D-Pulverdruckverfahren können aber auch für sehr große Produkte geeignet sein, wie beispielsweise Teleskopspiegel für die Weltraumforschung “, beschreibt Günster den Bedarf.

Der Einsatz von Keramik für den 3D-Druck ist für die Industrie von besonderem Interesse, denn Keramik ist vor allem aufgrund ihrer hohen Hitzebeständigkeit und Festigkeit für die industrielle Fertigung gefragt. Doch keramische Pulver lassen sich beim Druck nicht so einfach wie Kunststoffharze und Metalle durch Chemikalien vernetzen oder durch Hitze plastisch verformen. Die gewünschten Strukturen sind schlecht zu formen und nur schwer zu festigen. „Das hängt mit dem Material zusammen“, erklärt Günster. Wenn die Keramikprodukte aus dem Drucker anschließend im Ofen gebrannt werden, ist das Ergebnis oft noch nicht zufriedenstellend. „Wir haben viele Untersuchungen gemacht, wie sich die Keramikwerkstoffe besser an den additiven Fertigungsprozess anpassen lassen und sie entsprechend verändert“, beschreibt Günster seinen Ansatz. „Mittlerweile finden die von uns entwickelten Verfahren auch in der Industrie eine sehr große Resonanz“, erläutert er.

Polymere für mehr Stabilität

Kurz vor der industriellen Verwendung steht der Einsatz von präkeramischen Polymeren als Ausgangsmaterial für den Druck. Das sind spezielle Polymere, die in Keramik umgewandelt werden können. Auch hier entsteht die kompakte Keramik erst während des Brennens, wenn sich die Vorläufersubstanz bei Temperaturen über 1200 °C in Siliciumoxycarbid, eine glasige Substanz, umwandelt. „Wir nutzen dazu ein kommerzielles und preisgünstiges Pulver, das auch in der Kosmetikindustrie eingesetzt wird“, erklärt Günster.

Die Idee wäre in der Umsetzung jedoch fast gescheitert. Denn ein Brennen ist nicht möglich, weil das präkeramische Polymer bereits bei 60 °C schmilzt. Doch den Forscherinnen und Forschern gelang es, diese Schwäche des präkeramischen Polymers geschickt für ihre Zwecke zu nutzen: Günsters Team setzt dem Material eine Substanz zu, die die Struktur besser vernetzt. Dazu arbeiten sie mit einem zusätzlichen Druckkopf. Der eine Druckkopf trägt Binder und Vernetzer auf, der andere Druckkopf nur Binder. Mit diesen beiden Flüssigkeiten werden das Skelett einer Struktur und die Hülle darüber in einem Vorgang gedruckt. Beim Brennen sorgt der Vernetzer dafür, dass die gewünschte Struktur erhalten bleibt. Das zugesetzte Polymer fließt, sobald es schmilzt, in die Zwischenräume und füllt sie komplett aus. Weil dadurch weder Kanten noch Poren verbleiben, entsteht ein Keramikbauteil mit größerer Stabilität. „Die Struktur hat sich durch diese Form der Selbstorganisation optimiert und hält damit mehr Druck aus“, erklärt Günster.

Struktur aus 3D-Drucker

Struktur aus dem 3D-Drucker, die bei einer Temperatur von 1400 °C in ein keramisches Material umgewandelt wird

Quelle: BAM

Maßgeschneiderte Keramiken sind besonders für medizinische Zwecke interessant. „Aktuell sind poröse Gitterstrukturen in den oberen Schichten eines Implantats oder in der Beschichtung einer Prothese sehr gefragt“, erklärt Prof. Dr. Giovanni Bruno, „der vorhandene menschliche Knochen soll in diese Hohlräume hineinwachsen und dadurch den Halt verbessern.“ Doch dieser Plan geht nur auf, wenn die Gitter die richtige Verteilung haben und die Poren nicht zu groß sind. Sonst droht das Material zu zerbrechen.

Im Computertomographen lassen sich schnell die Maße der 3D-Produkte kontrollieren, Defekte und Verschiebungen in der Struktur abschätzen sowie deren Größe und Anzahl ermitteln. Eine andere an der BAM erforschte Methode, die diesen präzisen Blick ermöglicht, ist die sogenannte Röntgenrefraktion. Dabei werden Röntgenstrahlen an mikroskopisch kleinen Grenzflächen an der Oberfläche oder im Inneren des Materials gebrochen. So lassen sich mikrofeine Risse oder Poren erkennen. „Je feiner die Auflösung ist, desto besser können wir das Material charakterisieren“, erklärt Bruno.

Zerstörungsfreie Prüfung verbessert Herstellung

Die Forscherinnen und Forscher suchen nicht nur nach Produktionsfehlern, sondern interessieren sich auch für das Gefüge des Materials. Sie analysieren die Zusammensetzung und die räumliche Anordnung der einzelnen Bausteine. „Wir können mit der Computertomographie oder der Röntgenrefraktion größere Volumina zerstörungsfrei untersuchen“, erklärt Bruno den Vorteil, „und das sogar in 3D“. Das ist wichtig, denn viele Effekte, die neue Materialien auszeichnen, beruhen auf dreidimensionalen Strukturen. Diese Analyse dient der Verbesserung der Herstellungsverfahren. Wenn Brunos Team unerwünschte Poren oder andere Defekte findet, sucht es nach einer Ursache für die Auffälligkeit. „Wir wollen verstehen, warum die Ergebnisse des 3D-Drucks von der digitalen Vorlage des Computers abweichen“, sagt er.

Für den täglichen Einsatz eignen sich die Labor-Computertomographie und die Röntgenanalyse nur bedingt. Eingesetzt werden sie beispielsweise, wenn eine besonders hohe Auflösung erforderlich ist oder für hochwertige Komponenten wie Keramikimplantate. Für typische industrielle Bauteile sind sie schlicht zu teuer. Die BAM geht daher einen Schritt weiter und entwickelt zerstörungsfreie, mobile und zugleich zuverlässige Untersuchungsmethoden weiter, nämlich Ultraschall und Thermographie.