Keramische Bauteile aus dem Drucker

Es sei denn, man nutzt die von Kunststoffen und zunehmend auch Metallen bekannte Abkürzung des 3D-Drucks. Während der Druck mit Kunststoff und Metall schon seit einigen Jahren im industriellen Alltag angekommen ist, befindet sich der 3D-Druck mit Keramik noch auf dem Sprung vom Labor in die Werkshallen. Doch die Vorteile schienen zu verlockend, sodass Maxon bereits vor etwa fünf Jahren erste Versuche startete, um Kunden schneller Prototypen ihrer Keramikbauteile liefern zu können – und echte Pionierarbeit zu leisten. Zilm: «Mit solch einem Drucker lassen sich die ersten zwei bis drei Entwicklungsschleifen viel einfacher und schneller bewältigen.»

3D-Drucker auf Maxon-Bedürfnisse angepasst

Nach intensiver Marktforschung entschied sich Maxon für einen 3D-Drucker des französischen Herstellers 3DCeram, der den eigenen Wünschen angepasst wurde. «Uns haben vor allem die Präzision und die recht grosse Druckfläche von 300 auf 300 Millimetern überzeugt», erklärt Zilm.

Der Drucker basiert auf dem von Kunststoffen bekannten Stereolithografie-Verfahren, bei dem ein Laser eine Emulsion aus Binder und keramischem Pulver verfestigt und so ein Bauteil Schicht für Schicht von unten nach oben aufbaut. Die Schichtdicke beträgt zwischen 0,025 und 0,125 Millimeter.

Nach jedem Auftrag fährt das Druckbett einen Schritt nach unten. Das sorgt für gleichmässige Schwindung beim Härten und hohe Präzision sowie die Wiedergabe kleinster Details. Eine Stützkonstruktion ist grundsätzlich nicht notwendig. Die besondere Stärke der Anlagen von 3DCeram: Es lassen sich auch besonders kleine Teile mit nur 50 Kubikmillimeter Volumen herstellen.

Sehr gute Alternative zum keramischen Spritzguss

Für keramische Bauteile werden, je nach Anforderungsprofil, meist Zirkon- oder Aluminiumoxid eingesetzt, die «Brot- und Butter-Werkstoffe» der technischen Keramik. Beide gibt es als Emulsion für den 3D-Drucker. Entbinderung und Sintertechnik entsprechen dem CIM-Verfahren, sodass die im 3D-Drucker hergestellten Grünlinge dieselben Fertigungsanlagen durchlaufen können wie die Serienteile. Abhängig von der Komplexität des gewünschten Bauteils und dem notwendigen Toleranzniveau sind auch Kleinserien möglich und zum keramischen Spritzguss (CIM) eine sehr gute Alternative.

Grenzen weise das Verfahren laut Zilm aufgrund des Durchmessers des UV-Laserspots auf, der nur bestimmte minimale Wandstärken zulasse. Gereinigt werden die Teile mittels Druckluft und einem Additiv, um das überflüssige Material vom Bauteil zu lösen. Bohrungen von 0,5 Millimetern und kleiner lassen sich damit nicht ganz so perfekt rund wie im Spritzgussverfahren herstellen, was aber für Prototypen in der Regel völlig ausreiche.

Entwicklungspartner von Anfang an

Mittlerweile schickt der Kunde einfach eine im 3D-Druck allgemein übliche und genormte STEP-Datei (Standard for the Exchange of Product model data). Innerhalb kürzester Zeit bekommt er ein Angebot. Nur zehn bis 14 Tagen nach Bestellung hält er bereits erste Prototypenteile in Händen. «Früher dauerte das viele Wochen oder sogar Monate und war mit hohen Werkzeugkosten verbunden», erinnert sich Zilm.

Im Idealfall hole der Kunde Maxon jedoch schon von Anfang an ins Boot. «Wir sind Entwicklungspartner ab der ersten Idee und können so Einfluss auf eine möglichst keramikgerechte Konstruktion nehmen», erklärt Zilm. So liessen sich beispielsweise mehrere Bauteile in einem funktionsoptimierten Bauteil zusammenfassen. Solche Optimierungen seien laut Zilm umso wichtiger, als der Rohstoffpreis für das Kilogramm Keramik um etwa den Faktor zehn über dem von Stahl liegt. «Das müssen wir durch eine deutlich verbesserte Funktionalität wie Verschleissfestigkeit, Temperaturstabilität oder Schmierstofffreiheit rechtfertigen.»

Mit dem Laser zur Perfektion

Wenn die mechanische Bearbeitung an ihre Grenzen stösst, hilft der Laser. «Angeschafft wegen eines Projekts, bei dem winzige Bauteile mechanisch fast nicht mehr herstellbar waren, ist der Laser heute unser Allround-Talent, mit dem wir etliche der vom Stahl bekannten Bearbeitungsprinzipien auf die Keramik und praktisch jeden anderen Werkstoff übertragen können», fasst Michael Streicher die Tugenden des Lasers zusammen. Streicher leitet die Laserbearbeitung bei Maxon.

Erst neueste Entwicklungen auf dem Gebiet der Pico- und Femto-Sekunden-Laser, die Eingang in industrietaugliche Produkte fanden, halfen eine Schädigung durch Wärmeeintrag zu verhindern. Maxon nutzte für die Konfiguration der eigenen Anlage die Dienste eines spezialisierten Systemintegrators. «In ihm haben wir einen Entwicklungspartner gefunden, mit dem wir gemeinsam eine zusätzliche Laserquelle integrieren konnten; unseres Wissens ist das die erste in der freien Industrie so ausgelieferte Maschine», berichtet Streicher.

Schnell zeigte sich, welche neuen Türen der Laser öffnet. So wird Keramik immer elastischer, je dünner sie ist. «Bei Wandstärken von ein bis zwei Zehntelmillimetern und weniger können wir kleine Federn oder Festkörpergelenke erstellen, wie man sie zum Beispiel für Uhren nutzen kann.» Grundsätzlich lassen sich mit dem Laser materialunabhängig Bauteile beschriften, gravieren, strukturieren, selektiv abtragen, schneiden und drehen sowie anderweitig modifizieren.

Laser kann senkrechte Wände und Hinterschnitte herstellen

Streicher und sein Team treiben die Entwicklung noch weiter voran. So erfordert ein Projekt für die eigenen Getriebe absolut senkrechte Wände bei der Bearbeitung. Hier stösst der klassische Laser mit seiner konischen Strahlform, die bei Keramik noch stärker als bei Metall ausgeprägt ist, eigentlich an seine Grenzen. Maxon wendet gemeinsam mit dem Systemintegrator dessen Know-how auf die neuen Lasertechnologien an, sodass jetzt nicht nur senkrechte Wände, sondern sogar Hinterschnitte herstellbar sind.

Die Methode ist recht aufwendig, wie Streicher beschreibt: «Wir haben eine Optikbox, die sich aus knapp 100 optischen Elementen zusammensetzt und die sich teilweise verfahren und verdrehen lassen, um den Strahl zum Rotieren zu bringen.» Das bewirke eine Art kontrolliertes Taumeln um die Fokuslage, wodurch aufgrund der physikalischen Effekte je nach Material eine senkrechte Wand durch entsteht.

Damit lassen sich zum Beispiel federnde Bauteile mit gleichbleibendem Querschnitt oder Verzahnungsgeometrien mit senkrechten Flächen, wie sie beispielsweise in der Uhrenindustrie gebraucht werden, fertigen. Ausruhen will man sich auf diesen Lorbeeren nicht, die Entwicklung des Lasereinsatzes werde weiter vorangetrieben – getreu dem Motto: «Nach oben gibt es kein Limit und hinterm Mars geht’s weiter.»

Maxon ist vom 14. bis 17. Juni 2022 auf der EPHJ in Genf, Stand H 104