Lithografie‐basierte additive Zwei‐Materialien Fertigungsanlage

Das Fraunhofer IKTS ist eine der führenden Forschungseinrichtungen Europas im Bereich Keramiken und beschäftigt sich seit mehr als 10 Jahren intensiv mit inzwischen sechs verschiedenen Verfahren der Additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM). Neben der Bauteilentwicklung stehen dabei vor allem die Qualifizierung von keramischen Werkstoffen, aber auch Hartmetallen und Gläsern sowie die Optimierung der Prozesse entlang der gesamten Prozesskette für die verschiedenen AM-Verfahren im Fokus. Einen besonderen Schwerpunkt bildet dabei die lithografiebasierte Additive Fertigung. Mit diesen Verfahren lassen sich Bauteile mit einer sehr hohen Präzision und herausragenden Eigenschaften realisieren. Innerhalb der letzten 8-10 Jahre wurde dabei ein umfangreiches Portfolio an eigenen Suspensionen am IKTS entwickelt, wobei der Fokus auf Materialien lag, deren Photopolymerisation bei Bestrahlung mit Licht von einer Wellenlänge im Bereich von 445-460 nm durch ein DLP-Modul erfolgte. Die Intensität der Lichtquelle am Fokuspunkt betrug dabei zunächst ca. 33 mW/cm², später wurde diese dann auf ca. 56 mW/cm² erhöht, um so auch stärker streuende bzw. absorbierende Werkstoffe verarbeiten zu können. Im Zuge dessen konnte das IKTS in den letzten Jahren bereits ein breites Materialportfolie für verschiedenste Keramiken, u.a. Al2O3, ZrO2, ATZ, TiO2, AlN, Si3N4, Porzellan oder Glas entwickeln, um hier nur einen Auszug zu nennen. Die bisher verwendeten Energiemengen für die Belichtung einer Schicht des Bauteils, die überwiegend eine Dicke von 25 µm betrug und auf die auch die im am IKTS entwickelten Suspensionen optimiert sind, bewegen sich dabei je nach verwendetem Material in einem Bereich von 120-600 mJ/cm². Die genutzte “bottom-up”-Schichtbildungsmethode, bei der die photohärtbaren Suspensionen von unten belichtet werden, hat den Vorteil, dass die Teile auf dem Kopf stehend aufgebaut und so nur geringfügig in die Suspension eingetaucht werden. Auf diese Weise wird nur sehr wenig Material verbraucht, was die Materialkosten und die Aufbereitungsdauer in der Entwicklungsphase reduziert. Ein weiteres Betätigungsfeld des Fraunhofer IKTS ist die Formgebung und die thermische Co-Prozessierung von Multimaterialbauteilen. Die im Bereich der konventionellen Formgebung erarbeiteten Kompetenzen werden nun auch auf AM-Verfahren übertragen. Im Rahmen des Vergabeverfahrens beschafft das Fraunhofer IKTS eine dem aktuellen Stand der Technik entsprechende, funktionstüchtige und bereits erprobte AM-Anlage, deren Arbeitsprinzip auf der Lithografie basieren muss und die für die Herstellung von Multimaterial-Grünteilen (2K) geeignet ist. Da zum einen das Portfolio an IKTS-eigenen Suspensionen auch solche umfasst, die speziell für Industriekunden entwickelt und optimiert wurden und zum anderen schon viele verschiedene Bauteile für Industrieanwendungen hergestellt wurden, muss auch bei der Multimaterial-Anlage sichergestellt sein, dass diese bereits existierenden Suspensionsrezepturen auf der Anlage verarbeitbar sind und die gleichen Bauteileigenschaften wie auf 1K-Anlagen erreicht werden können, um die Anforderungen der Partner zu erfüllen. Der Fokus im Sinne der Fertigung liegt auf der additiven Formgebung von Grünkörpern bestehend aus mindestens zwei verschiedenen Materialien, wobei das Material sequenziell über den Bauprozess innerhalb des Bauteils in Baurichtung und insbesondere lateral innerhalb einer Bauschicht variiert werden kann mit dem zukünftigen Ziel, auf diese Weise keramische Komponenten zu realisieren, welche nach der Sinterung mindestens eine der folgenden Eigenschaftskombinationen in sich vereinen: • dicht-porös, • elektrisch leitfähig-isolierend, • thermisch leitfähig-isolierend, • hart-duktil, • bioresorbierbar-bioinert, • magnetisch-nichtmagnetisch oder • transparent-opak