3D-Druck von Komposit- und Multimaterialien

Expert:innen: Fritz Bircher (Inspire), Frank Clemens (Empa), Christian Leinenbach (Empa)

Erste Anwendungen von 3D-gedruckten Komposit- und Multimaterialien, die nicht auf Polymeren – also Kunststoffen – basieren, finden sich vornehmlich in der Herstellung von komplexen Spritzgussformen, robusten Werkzeugen und im Deko- und Schmuckbereich. Das Verfahren führt zu geometrisch komplexen und belastbaren, aber doch leichten Bauteilen und bietet für zahlreiche Industrieklassen wie Bau, Elektronik, Energie, Lebensmittel und Medizin grosse Chancen. Es erlaubt dank kleinen Losgrössen einen hohen Grad an Individualisierung, was die Technologie auch für die Gesellschaft interessant macht. Allerdings ist der 3D-Druck – und der 3D-Druck von nicht polymeren Komposit- und Multimaterialien erst recht – eine Nische, deren volles Potenzial in der Industrie noch nicht angekommen ist.

Bild: 9T Labs

Definition

Ein Komposit ist ein Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, die in der Kombination Eigenschaften der einzelnen Komponenten besitzen. Werden Kompositmaterialien additiv gefertigt, also 3D-gedruckt, kann der Prozess mit demjenigen eines Tintenstrahldruckers in drei Dimensionen verglichen werden.

Beim Multimaterialdruck werden mehrere verschiedene Materialien getrennt, aber räumlich definiert angeordnet. So können Verbundwerkstoffe hergestellt werden. Eine Variation der Multimaterialien, die Gradientenwerkstoffe, gehen speziell aus der additiven Fertigung hervor. Es sind dies Werkstoffe, deren Eigenschaften kontinuierlich entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen ändern und dabei der Geometrie oder den Belastungen des Bauteils folgen. Ein solcher Materialgradient lässt sich erzielen, wenn die Prozessparameter oder Materialzusammensetzung während des additiven Aufbaus punkt-, linien- oder lagenweise modifiziert werden.

Stand heute wird erst die additive Fertigung mit Komposit- oder Multimaterialien aus Polymeren, also aus Kunststoff, industriell eingesetzt. 3D-Druck von Kompositen oder Multimaterialien aus Keramik, Metall oder anderen Materialien wie Elastomere ist noch deutlich weg von der Produktreife und befindet sich im Forschungsstadium. Der vorliegende Beitrag befasst sich ausschliesslich mit dem 3D-Druck von Kompositen und Multimaterialien auf der Basis von anderen Werkstoffen als Polymere.

Eingesetzt werden verschiedene additive Verfahren wie Extrusion und Binder Jetting. Bei der Extrusion werden geschmolzene Filamente – fadenähnliche Strukturen – durch eine Düse gepresst und erstarren. Dabei müssen teilweise Stützstrukturen gedruckt werden, um das entstehende Produkt auf der Bauplatte zu befestigen oder Überhänge abzusichern. Diese müssen allerdings entfernt werden, sobald das Produkt ausgehärtet ist. Beim Binder Jetting werden dünne Pulverschichten in einem Pulverbett aufgetragen und anschliessend mit einem flüssigen Bindemittel, das von einem Druckkopf aufgebracht wird, selektiv verhärtet. Das so entstandene Grünteil muss anschliessend entbindert und gesintert werden. Es braucht demnach bei beiden Verfahren nachgelagerte Schritte, um ein stabiles und optisch ansprechendes Endprodukt zu erhalten.

Chancen

Kombinationen wie Keramik in Metall, Metall mit Hartstoffen wie Wolframkarbid oder neuartige Eisen- und Nickellegierungen machen die Materialien härter und weniger anfällig auf Verschleiss. Werden solche Komposite mit klassischen Verfahren wie Guss gefertigt, bestehen Formrestriktionen. Hier bringt der 3D-Druck grosse Vorteile, da komplexe Geometrien realisiert werden können. Besonders vielversprechend ist die additive Fertigung, um robuste Werkzeuge und allgemein Bauteile zu fertigen, die hohen mechanischen Belastungen oder über lange Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Erste Anwendungen vom 3D-Druck mit Multimaterialien, die nicht auf Polymer basieren, finden sich heute im Schmuck- oder Dentalbereich: So können beispielsweise zweifarbige Ringe mit gradueller Farbänderung oder Brücken und Kronen mit natürlicher Färbung in individualisierter Form gedruckt werden. Auch im Energiesektor zeichnen sich erste Anwendungen ab, können doch bereits Hochspannungskondensatoren und Photovoltaikzellen aus Multimaterialien erfolgreich gedruckt werden.

Zukünftige Anwendungen des 3D-Drucks mit Multimaterialien finden sich in vielen Industrieklassen. In der Medizintechnik und / oder kollaborativen Robotik bietet sich der Bau von Prothesen oder Greifarmen an, die weiche Materialien wie Elastomere mit druckresistenten Sensoren kombinieren, um Finger oder andere Körperteile nachzubauen. Dabei werden die Sensorelemente direkt mitgedruckt und nicht nachträglich zusammengefügt. Diese funktionellen Strukturen sind dann sozusagen ein Zwilling der realen Körperteile und ihrer Hauptfunktionen und können in der Ausbildung von Ärzt:innen und Gesundheitspersonal eingesetzt werden. Denkbar sind auch Anwendungen in der pharmazeutischen Industrie, wo der 3D-Druck mit Multimaterialien die Fertigung von Tabletten mit mehreren Wirkstoffen erlaubt. Dank der unterschiedlichen Materialeigenschaften der sie umgebenden Stoffe werden die Wirkstoffe an verschiedenen Orten im Verdauungstrakt oder zeitlich versetzt freigesetzt. Ein ähnlicher Ansatz wird in der Lebensmittelindustrie verfolgt (s. Beitrag 3D-Druck von Lebensmitteln).

Zu erwarten sind auch vermehrt Anwendungen im Bau- und Elektroniksektor. Mit Multimaterialdruck können fixfertige Elemente für Gebäude vorgefertigt werden, die bereits Rohre und Leitungen enthalten und die auf der Baustelle sehr einfach kombiniert werden können. Während der Druck von kleiner Leistungselektronik wie Chips in den kommenden Jahren wegen der mangelnden Auflösung nicht zu erwarten ist, könnten grössere Elektronikbauteile mit Multimaterialdruck gefertigt werden. Vorexperimente für den Druck von RFID-Chips (Radio Frequency Identification) wurden bereits erfolgreich abgeschlossen.

Die Möglichkeiten des Drucks von Komposit- und Multimaterialien sind in der Industrie noch nicht angekommen. Noch immer ist der 3D-Druck eine Nische, unter anderem auch, weil das Verfahren in naher Zukunft nicht für die Massenproduktion geeignet sein wird; allerdings hat sich die rentable Stückzahl in den vergangenen Jahren stark erhöht. Der heutige Fokus auf die Fertigung von speziellen Geometrien und auf die Individualisierung bietet aber vielen Industrieklassen und der Gesellschaft bereits zahlreiche Chancen. Für die Industrie liegen die Chancen auf Anwender- wie auf Dienstleiterseite. Prozesse zur Fertigung von neuen oder bestehenden Produkten können optimiert werden – Stichwort Leichtbau – und die Fertigung-on-demand wird möglich, wodurch die Lieferketten verkürzt werden und Transport- und Lagerkosten wegfallen. Auch können mehrere Materialien in einem Schritt in einem Bauteil vereint werden. Die Technologie ist aber auch eine grosse Chance für Dienstleistende vor allem von grossen Strukturen.

In der Gesellschaft kann der steigende Bedarf nach personalisierten Produkten befriedigt werden. Nicht nur in der Medizin, sondern auch im Deko- und Schmuckbereich. In der Medizin profitieren Patient:innen nicht nur von der Personalisierung, sondern indirekt auch von den neuen Möglichkeiten, welche die Technologie für die Ausbildung des Gesundheitspersonals bietet.

Herausforderungen

Für den Druck von Strukturen aus mehr als einem Werkstoff müssen verschiedene Materialien gleichzeitig verarbeitet werden. Dies stellt neue Anforderungen an die Druckköpfe, die nur durch Weiterentwicklungen gelöst werden können. Zugleich braucht es auch Forschung und Entwicklungen auf der Materialseite, um die Druckfähigkeit zu optimieren und die Materialeigenschaften zu verstehen. Bei Gradienten mit metallischen Multimaterialien entsteht beispielsweise in der Übergangszone eine neue Legierung, deren Eigenschaften nicht einfach eine Kombination der Eigenschaften der Ausgangsmaterialien sind und die kaum voraussagbar sind. Dies beeinflusst auch die Wahl der Druckparameter wie Temperatur und Druckgeschwindigkeit, die an die neu entstehende Legierung angepasst werden müssen, um Risse und strukturelle Schwächen im Produkt zu vermeiden. Interdisziplinäre Teams müssen sich diesen Herausforderungen stellen: Materialwissenschaftler:innen müssen sich mit strukturellen und Fertigungsfragen auseinandersetzen und Maschinenbauer:innen müssen sich Materialwissen aneignen.

Additiv gefertigte Produkte aus Metall oder Keramik müssen nach dem Druck verdichtet werden: Das sogenannte Sintern verwandelt ein poröses Bauteil in ein Endprodukt mit nahezu voller Dichte, indem die Schichten verbunden und die Poren zwischen den Pulverteilchen beseitigt werden. Im Verarbeitungsprozess werden die Bauteile erhitzt, wobei die Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Materials bleibt, um die Form des Werkstücks zu erhalten. Dies ist für ein einzelnes Material mit einem definierten Schmelzpunkt unproblematisch. Bei Multimaterialien ist Sintern herausfordernd, da verschiedene Materialien bei unterschiedlichen Temperaturen sintern. Eine mögliche Lösung ist selektives Sintern, bei dem fortlaufend während des Prozesses und nicht erst am Ende gesintert wird. Dazu braucht es aber eine Digitalisierung der Prozesse, damit jederzeit eingegriffen werden kann.

Wie bei allen Materialgemischen stellt sich die Frage des Recyclings: Wie können die verbauten Materialien möglichst sortenrein dem Recycling zugeführt werden? Bei Bauteilen, die mittels Extrusion aus geschmolzenen Filamenten hergestellt werden, ist das Recycling relativ einfach: Sie können mechanisch zerkleinert und wieder zu Filamenten verarbeitet werden, aus welchen dann neue Bauteile gedruckt werden können. Beim Binder Jetting ist die Herangehensweise komplexer, ist doch auch die Pulvermischung, die im Pulverbett zurückbleibt und wieder getrennt werden sollte, betroffen. Nur wenn das sortenreine Recycling gelingt, kann die additive Fertigung das Versprechen halten, ressourcenschonender und nachhaltiger zu sein als die klassischen Verfahren.

Aufbau von Expertise für KMU wichtig

Es ist für ein KMU sinnvoll, sich mit der Thematik des 3D-Drucks auseinanderzusetzen und eine gewisse Expertise aufzubauen, auch wenn sich der Kauf von eigener Hardware in den wenigsten Fällen lohnen dürfte. Wichtig ist eine frühe Interaktion mit Dienstleistenden oder Hochschulen, um Prototypen zu drucken und deren Qualität und Funktionalität zu testen. Auch wenn es Services zum 3D-Druck mit Metallen gibt, fehlen Angebote zu anderen Materialien wie Keramik; auch der 3D-Druck von Komposit- und Multimaterialien, die nicht auf Polymeren basieren, kann noch nicht als industrielle Dienstleistung bezogen werden, sondern baut auf Zusammenarbeiten mit Forschungsinstitutionen.

Konkrete Anwendungsbeispiele finden sich in den Beiträgen Nachhaltigkeit dank Gewichtsreduktion und Fusseinlagen aus dem 3D-Drucker.

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