Neue Studie von EMPA Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology) zeigt : Kombination aus 3D Druck technischer Keramik und integriertem Fräsen erhöht die Bauteilfestigkeit um Faktor 1,6. Wir erklären die Ergebnisse einfach – und was das für Ihre Wahl zwischen der VPP und anderen Verfahren bedeutet.
Das Problem: Warum Keramikteile aus dem 3D-Drucker oft schwächer sind
Keramik ist ein faszinierender Werkstoff: extrem hart, hitzebeständig und chemisch stabil. Gleichzeitig ist sie spröde – und genau das macht die Fertigung anspruchsvoll. Beim klassischen Keramik 3D Druck mittels thermoplastischer Materialextrusion (ein Verfahren, das an FDM-Druck bei Kunststoffen erinnert) entstehen häufig winzige Fehlstellen zwischen den gedruckten Schichten. Diese kleinen Defekte mögen unscheinbar wirken, sie schwächen jedoch die mechanische Festigkeit des fertigen Bauteils spürbar – gerade im Vergleich zu klassisch gepressten Keramikteilen.
Für Anwendungen, bei denen es auf hohe Belastbarkeit ankommt – etwa in der Medizintechnik, im Maschinenbau oder in der Luft- und Raumfahrt – ist das ein echtes Problem.
Die Idee: Drucken und Fräsen in einem Arbeitsschritt
Ein Forschungsteam ist diesem Problem in einer aktuellen Studie auf den Grund gegangen. Additiv gefertigte Strukturen aus thermoplastischer Materialextrusion weisen häufig Druckfehler auf, die im Vergleich zu gepressten Bauteilen zu einer geringeren mechanischen Festigkeit führen. Die Lösung der Forscher: eine Kombination aus additiver und subtraktiver Fertigung – also 3D-Druck und Fräsen in einem einzigen Prozess.
Bild 1: M.A.T Drucker , Extrusionsdrucker mit CNC kopf
So funktioniert es:
Zirkonoxid-Scheiben wurden sowohl mit als auch ohne Kontur- und Oberflächenfräsen zwischen den einzelnen Druckschritten hergestellt. Als Ausgangsmaterial diente ein Feedstock auf Zirkonoxid-Basis, wie er auch beim Keramikspritzguss zum Einsatz kommt, verarbeitet mit einem 3D-Drucker, der zusätzlich mit einem Fräskopf ausgestattet ist.
Das bedeutet konkret: Nach dem Druck einzelner Schichten fräst die Maschine direkt Kontur und Oberfläche nach – bevor die nächste Schicht aufgetragen wird. Kleine Fehlstellen, die sonst im fertigen Bauteil “eingebaut” bleiben, werden so quasi in Echtzeit entfernt.
Bild 2: CNC Kopf
Die Ergebnisse: Deutlich stabilere Bauteile
Um die mechanische Qualität zu prüfen, setzten die Forscher auf zwei etablierte Prüfmethoden für spröde Werkstoffe: den Ring-auf-Ring-Test und den Kugel-auf-drei-Kugeln-Test. Damit wurde die Biegefestigkeit der gesinterten Scheiben untersucht.
Das Ergebnis ist beeindruckend: Die hybride Fertigungsmethode aus Drucken und Fräsen führte zu deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften – die Biegefestigkeit stieg um den Faktor 1,6.
Einfach ausgedrückt: Bauteile, die während des Drucks zusätzlich gefräst wurden, halten rund 60 % mehr Belastung aus als Bauteile, die nur gedruckt wurden. Ein enormer Sprung, der additiv gefertigte Keramik für deutlich mehr anspruchsvolle Anwendungen interessant macht.
Was bedeutet das für die Praxis?
Die Studie zeigt eindrucksvoll: Die Fehleranfälligkeit der thermoplastischen Materialextrusion lässt sich durch clevere Prozesskombination gezielt ausgleichen. Für Unternehmen, die in der additiven Fertigung von Keramik investieren möchten, lohnt sich aber ohnehin ein Blick auf die verfügbaren Verfahren – denn nicht jede Technologie hat mit denselben Herausforderungen zu kämpfen.
Beim SLA 3D Druck (Stereolithografie) beispielsweise wird ein keramisch gefüllter Schlicker schichtweise lasergestützt ausgehärtet. Dieses Verfahren erzielt von Haus aus eine sehr hohe Maßgenauigkeit und glatte Oberflächen – ganz ohne zusätzlichen Fräsvorgang. Genau auf diese Technologie hat sich 3DCeram spezialisiert, ein Pionier im Bereich additiv gefertigter Hochleistungskeramik.
Wer über die Anschaffung eines eigenen Systems nachdenkt und 3D Drucker kaufen möchte, sollte deshalb genau prüfen, welches Verfahren zur eigenen Anwendung passt: reicht die Bauteilqualität aus dem Standardprozess, oder sind zusätzliche Nachbearbeitungsschritte wie Fräsen nötig, um die geforderte Festigkeit zu erreichen?
Fazit
Die Kombination aus additiver und subtraktiver Fertigung ist ein vielversprechender Weg, um die typischen Schwächen vom 3D Druck von Keramik s auszugleichen – mit einer nachgewiesenen Steigerung der Bauteilfestigkeit um Faktor 1,6.
Sie überlegen, in additive Fertigung für Hochleistungskeramik einzusteigen oder einen 3D Drucker kaufen zu wollen? Unser Team von AM Pioneers berät Sie gerne zu den passenden Lösungen von 3DCeram – von der Werkstoffauswahl bis zum fertigen Bauteil.
