„Die Erweiterung unserer Plattform auf den Markt für technische Keramik ist für Fortify eine logische Weiterentwicklung“, sagt Joshua Martin, CEO und Mitgründer von Fortify. „Um die Grenzen dieser Materialien auszuloten, ist die Verarbeitung hochbelasteter, abrasiver und viskoser Stoffe erforderlich. Genau diese Kompetenzen sind es, die unseren Erfolg bei verschiedenen technischen Photopolymeren ausmachen.“
Die zunehmende Verfügbarkeit von Keramikmaterialien für den 3D-Druck wird zweifellos den Weg für die additive Fertigung von Keramik in anspruchsvollen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin und Energie ebnen. Daraus ergibt sich die Frage, welche Keramikmaterialien aktuell im 3D-Druckverfahren verarbeitet werden und welche Formen sie annehmen.
Arten von Keramik, die im 3D-Druckverfahren hergestellt werden
Ton war eines der ersten keramischen Materialien, das im 3D-Druckverfahren verarbeitet wurde . Zahlreiche Hersteller von Tonextrusionsdruckern, wie Delta, WASP und CERAMBOT, sind im Laufe der Jahre in den Markt für keramischen 3D-Druck eingetreten und konzentrieren sich dabei vorwiegend auf die Bereiche Kunst, Architektur und Design. Das renommierte 3D-Druck-Designstudio Emerging Objects mit Sitz in San Francisco ist bekannt für die Herstellung innovativer Skulpturen und Gebäude aus Ton und Porzellan. Die additive Fertigung von Keramik hat sich jedoch weitgehend von weißen Produkten wie Ton und Porzellan hin zu technischer Keramik entwickelt. Technische Keramik bietet die Möglichkeit, mithilfe des 3D-Drucks Hochleistungsbauteile für umsatzstarke Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Chemie und Zahnmedizin herzustellen.
Oxidkeramiken: Die am häufigsten gedruckte Keramikart sind Oxidkeramiken wie Aluminiumoxid und Zirkonoxid. Diese binären Oxide sind in der Regel kostengünstiger und einfacher zu verarbeiten als viele nicht-oxidierte Keramiken, was zu ihrer zunehmenden Beliebtheit im 3D-Druck beiträgt. Außerhalb des 3D-Drucks wird Aluminiumoxid häufig für Implantate und medizinische Geräte verwendet, während Zirkonoxid in der Zahnmedizin immer häufiger zum Einsatz kommt, beispielsweise für Implantate und Veneers. Sowohl die Zahnmedizin als auch die Medizin sind Zielbranchen der 3D-Druckindustrie, da sie Möglichkeiten für die Massenindividualisierung bieten, für die der 3D-Druck entwickelt wurde. Angesichts dieser Tatsachen ist es nicht verwunderlich, dass Aluminiumoxid und Zirkonoxid heute zu den beliebtesten Keramikmaterialien für den 3D-Druck gehören. Fast alle großen Hersteller von Keramik-3D-Druckern, wie Lithoz, Admatec und 3D Ceram, entwickeln und vertreiben Zirkonoxid und Aluminiumoxid für den Keramik-3D-Druck.
Oxidfreie Keramiken: Oxidfreie Keramiken wie Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid sind auf dem Markt weniger verbreitet als oxidische Keramiken. Dies ist auf zwei Hauptfaktoren zurückzuführen: die höheren Kosten und die größere Schwierigkeit, oxidfreie Keramiken zu drucken. Dennoch sind oxidfreie Keramiken im Markt für additive Fertigung von Keramik zunehmend kommerziell verfügbar, da sie sich aufgrund ihrer hohen Hitze- und Korrosionsbeständigkeit besonders für extreme Umgebungen eignen. In letzter Zeit haben immer mehr Unternehmen ihre eigenen oxidfreien Keramiken für den 3D-Druck auf den Markt gebracht. Dazu gehören nicht nur Hersteller von 3D-Druckkeramik wie Lithoz, Admatec und 3D Ceram, sondern auch Keramikmateriallieferanten wie SGL Carbon und Schunk Carbon Technology. Keramikmateriallieferanten produzieren in der Regel keine 3D-druckbaren Keramiken zum direkten Kauf, sondern bieten diese Materialien im Rahmen ihrer internen Teilefertigungsdienstleistungen an.
Biokeramiken: Biokeramiken bezeichnen im Allgemeinen Keramiken, die im Körper eingesetzt werden und die Zellaktivität anregen. Sie sind in den letzten zehn Jahren Gegenstand intensiver akademischer Forschung geworden, da sie die Möglichkeit bieten, implantierbare Geräte zu entwickeln, die nicht nur ungiftig sind, sondern auch aktiv die Selbstheilungskräfte des Körpers unterstützen. Die Möglichkeit, biokeramische Implantate im 3D-Druckverfahren herzustellen, ist für viele im Bereich der Medizintechnik und der akademischen Forschung von großem Interesse, da der 3D-Druck die Fertigung individuell angepasster Implantate ermöglicht. Die beiden am häufigsten untersuchten Biokeramiken im 3D-Druck sind Hydroxylapatit (HA) und Tricalciumphosphat (TCP). Diese Biokeramiken sind nicht nur aufgrund ihrer Materialeigenschaften, sondern auch aufgrund ihrer weiten Verbreitung in der Medizin beliebt, da zahlreiche HA- und TCP-Implantate und -Geräte (nicht 3D-gedruckt) bereits von der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde (FDA) zugelassen wurden.
Nachdem die gängigsten Keramikmaterialien für den 3D-Druck identifiziert wurden, stellt sich die Frage nach den Rohmaterialformen dieser Keramiken. Im Allgemeinen gibt es sechs Haupttypen von Keramikrohstoffen, von denen vier Polymere als Zwischenbindemittel enthalten und zwei nicht:
Photopolymerharze: Hierbei wird Keramikpulver in Harze eingearbeitet, um eine Paste für den Druck herzustellen;
Thermoplastische Filamente: Hierbei wird Keramikpulver mit Thermoplast zu einem Filament für die Extrusion vermischt;
Thermoplastische Pellets: Hierbei wird Keramikpulver mit Thermoplast zu Pellets für die Extrusion vermischt;
Keramikpaste: Hierbei wird eine viskose Keramikpaste, z. B. aus Ton oder Porzellan, für den Druck hergestellt;
Keramikpulver: Mikrometergroße Keramikpulverpartikel werden für den Pulverbett-Druck verwendet;
Nanopartikelsuspensionen: Hierbei werden Keramiknanopartikel in Wasser suspendiert, um sie beim Nanopartikel-Jetting, einer Art des Materialauftrags, zu verarbeiten.
Weiterentwicklung: 3D-Keramikdruckmaterialien
Die für die additive Fertigung von Keramik verfügbaren Materialien sind im Allgemeinen vielfältig und bieten großes Potenzial für weitere Innovationen und Erweiterungen. Die Verfügbarkeit von Hochleistungskeramiken und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen für den 3D-Druck wird die Möglichkeiten der additiven Fertigung von Keramik erweitern und sie zum am weitesten verbreiteten Fertigungsverfahren für die Kleinserienfertigung machen. IDTechEx prognostiziert, dass die nächsten zehn Jahre von kontinuierlichen Materialinnovationen geprägt sein werden, da weitere Materiallieferanten und neue Unternehmen im Bereich des keramischen 3D-Drucks mit ihren jeweiligen Angeboten in den Markt eintreten.
Für eine detailliertere Aufschlüsselung der 3D-Keramikdrucktechnologie und weitere Informationen zu diesem Sektor, einschließlich Unternehmensprofile, Marktprognosen, Anwendungsfallstudien und Benchmark-Studien, siehe „3D Printing Ceramics 2022-2032: Technology and Market Outlook“.
