Welche Technologien haben sich im 3D-Druck von Keramik, dem jüngsten Bereich der additiven Fertigung, etabliert? Was sind die Vor- und Nachteile, Chancen und Risiken? In seinem neuen Bericht „3D-Druck von Keramik 2022–2032: Technologie- und Marktausblick“ vergleicht IDTechEx die aktuell in der additiven Keramikfertigung eingesetzten Druckverfahren und -technologien, um diese Fragen zu beantworten. Von den zahlreichen 3D-Druckverfahren im Bereich der additiven Fertigung hebt IDTechEx die folgenden als Marktführer hervor:
Vat-Photopolymerisation:
Das gängigste Druckverfahren in der additiven Fertigung von Keramik ist die Vat-Photopolymerisation (VPP), zu der Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) gehören. Drei der Marktführer – Lithoz, Admatec und 3D Ceram – produzieren auf Keramik spezialisierte Drucker, die entweder DLP (Lithoz/Admatec) oder SLA (3D Ceram) nutzen. Beim VPP-basierten Keramikdruck wird Keramikpulver mit UV-härtendem Polymerharz zu einer Keramikpaste vermischt; die genaue Menge des verwendeten Keramikpulvers variiert je nach Keramikart. Nach dem Druck wird das Grünteil zunächst in einem Ofen entpulpt, um das Polymerharz zu entfernen. Anschließend wird das Grünteil in einem Ofen gesintert, um die Keramik zu verdichten und das fertige Bauteil zu erhalten.
Materialextrusion:
Die Kategorie der Materialextrusion umfasst das Schmelzschichtverfahren (FFF/FDM), die wohl weltweit beliebteste 3D-Drucktechnologie. Keramisches FFF/FDM besteht aus thermoplastischen Filamenten, die zu 50 % mit Keramikpulver wie Aluminiumoxid oder Zirkonium gefüllt sind und für den 3D-Druck verwendet werden. Ähnlich wie bei der Photopolymerisation im Schmelzbad werden die gedruckten Teile entformt und gesintert, um das fertige Keramikobjekt zu erhalten. Obwohl verschiedene thermoplastische Keramikfilamente auf dem Markt erhältlich sind, ist FFF/FDM nicht die beliebteste Art der Materialextrusion in der additiven Fertigung von Keramik. Diesen Titel trägt die Pastenextrusion, auch bekannt als Tonextrusion, eine der sichtbarsten 3D-Drucktechnologien für Keramik. Videos von Pastenextrusionsdruckern von Herstellern wie 3DPotter, WASP und CERAMBOT sind online leicht zu finden. Tonextrusionsdrucker werden am häufigsten zum Drucken von Tonskulpturen und Keramik verwendet, die anschließend gebrannt werden. Es wird jedoch auch mit Extrusionsdruckern experimentiert, um andere interessante Keramikobjekte herzustellen, wie zum Beispiel Bausteine oder sogar Häuser.
Jetting
ist die führende pulverbettbasierte Drucktechnologie im Bereich des keramischen 3D-Drucks. Beim Binder Jetting werden Bindemitteltropfen aus einem Tintenstrahldruckkopf auf ein Keramikpulverbett aufgetragen. Dieser Auftrag erfolgt Schicht für Schicht, bis das Bauteil fertiggestellt ist. Anschließend wird es aus dem Pulverbett entnommen und gesintert. Im Gegensatz zur Photopolymerisation im Vakuumbad und zum FFF-Verfahren werden beim Keramikdruck keine Zwischenpolymere verwendet. Die beiden Marktführer im Bereich Binder Jetting, ExOne und voxeljet AG, produzieren Drucker, die zwar nicht ausschließlich für den keramischen 3D-Druck entwickelt oder vermarktet werden, aber mit Keramikpulvern kompatibel sind. Darüber hinaus bieten Hersteller wie ComeTrue und Kwambio Binder-Jetting-Drucker speziell für die additive Fertigung von Keramik an.
Und wie sieht es mit neuen, innovativen Technologien aus?
Die technologische Landschaft der additiven Fertigung von Keramik ist nicht statisch; da jedes Jahr neue Akteure in den Sektor des keramischen 3D-Drucks eintreten, wird die Landschaft durch aufregende Technologien immer dynamischer.
XJets innovative „Nanoparticle Jetting“-Technologie führt beispielsweise das Materialauftragsverfahren als neue Druckprozesskategorie im Bereich der additiven Keramikfertigung ein. Beim Nanopartikel-Jetting werden Tröpfchen aus in einer Flüssigkeit suspendierten Keramik-Nanopartikeln aufgetragen. Im Gegensatz zum Polymer-Jetting, bei dem jedes Tröpfchen mit UV-Licht ausgehärtet wird, verdampft beim Nanopartikel-Jetting die Flüssigkeit durch Hitze aus der Suspension, sodass nur die Keramik zurückbleibt.
Ein weiteres Beispiel für interessante Drucktechnologien liefern Hersteller von Pellet-Extrusionsanlagen wie Pollen-AM und Uprise 3D. Diese Hersteller nutzen verfügbare Keramik-Spritzgusspellets (CIM) als Ausgangsmaterial für den 3D-Druck. Ihre Drucker schmelzen die CIM-Pellets in ihren Extrusionsköpfen und extrudieren anschließend das mit Keramik angereicherte Polymer in der XY-Ebene (ähnlich wie bei FFF/FDM-Druckern, jedoch mit Pellets anstelle von Filament).
Die additive Fertigung im Mikromaßstab hält nun auch Einzug in den Bereich des keramischen 3D-Drucks: Der Marktführer im Bereich der Mikro-AM, Boston Micro Fabrication (BMF), hat kürzlich einen neuen, keramikkompatiblen Drucker vorgestellt. Der microArch S230 ist mit zwei neuen Keramikharzen von BMF kompatibel: Aluminiumoxid und Magnesiumtitanat.
Marktprognosen für den Keramik-3D-Druck:
In den zehn Jahren seit der Einführung des ersten industriellen Keramik-3D-Druckers hat der Markt für additive Keramikfertigung zahlreiche Innovationen und neue Technologien hervorgebracht. IDTechEx prognostiziert, dass diese technologischen Innovationen in den nächsten zehn Jahren anhalten werden, da Unternehmen ihre Keramikdrucker kontinuierlich weiterentwickeln und diversifizieren.
