DER KONSTRUKTEUR 3/2022

SOFTWARE & PROTOTYPING
Das Schweizer Unternehmen Maxon Motor ist bekannt für
seine Antriebstechnik, die es in verschiedenen Rovern
der Nasa bis auf den Mars gebracht hat. Weniger bekannt
ist der Hightech-Bereich technische Keramik in
Sexau bei Freiburg, der über ein gewaltiges Know-how in Sachen
technischer Keramik verfügt. Mittels Ceramic Injection Moulding
(CIM), ein dem Metal Injection Moulding artverwandtes
Spritzgussverfahren für Keramik entstehen Serienbauteile in
Stückzahlen von mehreren Zehntausend. Doch bei aller Erfahrung:
Ob eine neue Idee wirklich zündet, ein Teil aus Keramik
überhaupt realisierbar ist, sich so verhält wie geplant, das stellt
sich selbst unter Einsatz aktueller Konstruktionsmethoden wie
CAD, Finite-Element-Berechnungen und Simulation oft erst in
der Realität heraus.
Der herkömmliche Weg eines keramischen Bauteils von der
Idee zum realen Teil ist jedoch zeit- und kostenintensiv. Es bedarf
einer teuren Form, um den zu sinternden Grünling herzustellen.
Anschließend wird er in einem aufwendigen Prozess gedreht und
gefräst, gesintert und nochmals schleiftechnisch bearbeitet. Stefan
Zilm, Leiter Business Development & Quality-Engineering im
Competence Center CIM/MIM in Sexau gibt zu: „Das ist für ein
erstes Muster recht aufwendig, es kostet viel Zeit und Geld.“
SCHNELLER ZUM PROTOTYPEN
MIT KERAMIKDRUCK
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 Keramikdruck
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 Anwendern 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.“
Nach intensiver Marktforschung entschied sich Maxon für
einen 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 mm
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 mm.
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 mm 3 Volumen herstellen.
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
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 mm und kleiner lassen sich damit
nicht ganz so perfekt rund wie im Spritzgussverfahren herstellen,
was aber für Prototypen in der Regel völlig ausreiche.
01
02
01 Die Präzision und die recht große Druckfläche von 300 × 300 mm
haben Maxon dazu bewegt, sich für den Drucker des französischen
Herstellers 3DCeram zu entscheiden
02 Nach dem Druck werden die Teile mittels Druckluft und einem
Additiv gereinigt, um das überflüssige Material vom Bauteil lösen
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