Die additive Fertigung von keramischen Feingusskernen – von der Qualifizierung bis zur Industrialisierung

NN
voxeljet AG, Friedberg

Die Kombination von modernster Technologie mit Hochleistungsmaterialien hat sich oft als ideales Zusammenspiel erwiesen. Ein aktuelles Beispiel ist der 3D-Druck von Keramiken. Mit spezifischen Eigenschaften wie der Säure- und Laugenunempfindlichkeit und der hohen Beständigkeit bei thermischen Belastungen, finden Keramiken in einer Vielzahl von Industrien bereits Anwendungen.
Doch wie lassen sich die Material- und Bauteileigenschaften weiter optimieren? Eine Möglichkeit ist die additive Verarbeitung des Werkstoffes mit der modernen Binder Jetting 3D-Drucktechnologie. Denn diese ermöglicht nicht nur die Leistungssteigerung von keramischen Bauteilen durch geometrische Optimierungen, sondern auch die Feinabstimmung der Materialeigenschaften auf den 3D-Druckprozess und nachgelagerter Anwendungsziele.
Aus diesem Grund haben die voxeljet AG gemeinsam mit dem japanischen Unternehmen AGC Ceramics ein neues, keramisches Materialset für die additive Fertigung von Feingusskernen entwickelt. Im Zentrum dieses Projektes steht die Entwicklung und Anpassung eines industriellen VX1000 3D-Druckers sowie die Qualifikation des keramischen Werkstoffes mit einem komplementären, anorganischen Bindersystem.
Das keramische Material mit dem Markennamen BrightorbTM besteht aus sphärischem Sand mit den Hauptbestandteilen Aluminiumoxid (Al2O3) 80 %, Zirkoniumoxid (ZrO2) 10 %, Siliziumoxid (SiO2) 9 % sowie den Mineralien Korund, Baddeleyit und verschiedenen Zementarten. Beim 3D-Druck wird die Keramik mit mittleren Korngrößen von 50 μm und Schichtdicken von 100 μm auf die Bauplattform aufgebracht und mit einem auf Wasserglas basierenden, anorganischen Binder selektiv gebunden.
Die Hochleistungskeramik, deren Eigenschaften von einer hohen chemischen Stabilität, Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und einer geringen thermischen Ausdehnung gekennzeichnet ist, findet ihre Hauptanwendungen in der additiven Fertigung filigraner Kerngeometrien für das Feingussverfahren.
Das anorganische Bindemittel trägt hier durch kohlenstofffreie Verbindungen zu einem nachhaltigeren und ressourceneffizienten Gießvorgang bei, da bei Abguss lediglich Wasserdampf entsteht und damit der Anteil von gesundheits- oder umweltschädlichen Gießereiemissionen reduziert werden kann.
Das Materialset konnte im Rahmen des Entwicklungsprozesses dahingehend optimiert werden, dass der Schrumpfungsfaktor der gedruckten Bauteile beim anschließenden Sinterprozess bei 1.400°C weniger als ein Prozent beträgt. Der Schrumpfungsfaktor kann vor dem 3D-Druck bereits einkalkuliert werden, sodass die Bauteilgenauigkeit nach dem Sintern den entsprechenden Anforderungen und Toleranzen entspricht.
Die hohe Feuerfestigkeit der Keramik ermöglicht in diesem Zuge den Feinguss von Hochtemperatur-Legierungen mit Schmelzpunkten jenseits der 1.600°C.
Der 3D-Druck als Technologie und Keramiken als Werkstoff tragen ein hohes Zukunftspotenzial für gießereitechnische Anwendungen. Die Binder Jetting 3D-Druck Technologie ist neben einer hohen Produktivität auch von einer hohen Skalierbarkeit gekennzeichnet. Während sich das Kooperationsprojekt von voxeljet und AGC Ceramics auf eine VX1000 mit einem Bauvolumen von 1000 x 600 x 500 mm konzentriert, sind auch größere Bauvolumina und industrielle Automationsmöglichkeiten analog zu den bereits existierenden, großformatigen Sand-3D-Druck-Lösungen denkbar. Der Entwicklungsprozess, die Möglichkeiten des 3D-Drucks,ein tieferer Einblick in die Materialeigenschaften der Brightorb-Keramik sowie mögliche zukünftige industrielle Entwicklungsmöglichkeiten der additiven Fertigung werden in diesem Vortrag tiefer beleuchtet.