AddiLine

Keramik additiv herstellen – optisch inline prüfen

Die additive Fertigung – „der 3D-Druck“ – ermöglicht die zeit- und ressourceneffiziente Herstellung von Bauteilen mit nahezu unbegrenzter gestalterischer und konstruktiver Freiheit. Für keramische und hartmetallische Materialien wird diese Technologie im Gegensatz zu Metallen und Kunststoffen bislang jedoch kaum genutzt. Dabei bieten diese Materialien gute Anwendungsoptionen: Keramiken zeichnen sich durch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber aggressiven Umgebungsbedingungen, eine hohe Härte und gute Bioverträglichkeit aus. Hartmetalle werden aufgrund der hohen Härte als Werkstoffe für Fräs- und Bohrwerkzeuge eingesetzt.

Die additive Fertigung dieser Materialien eröffnet damit u. a. die Möglichkeit zur Realisierung komplexer Kühlstrukturen und die signifikante Erhöhung der Lebensdauer.

Durch die Entwicklung von additiven Fertigungsverfahren für Multi-Materialbauteile können diese großen geometrischen Freiheiten zusätzlich mit der Möglichkeit kombiniert werden, verschiedene Eigenschaften (beispielsweise hart und verformbar, elektrisch isolierend und leitfähig) in einem einzigen Bauteil zu vereinen. Risiken bei der Einführung des neuen Verfahrens können durch die Prozessüberwachung in der Produktionslinie minimiert werden. Erste Wahl sind hier berührungslose und extrem schnelle optische Verfahren.

Dosieren mit Licht und Prüfen mit Speckle-Mustern

Das am Fraunhofer IKTS entwickelte Verfahren des „thermoplastischen 3D-Drucks“ ist eine additive und werkstoffunabhängige Fertigungsmethode für Multimaterial-Bauteile mit integrierten Funktionalitäten. Mit diesem Verfahren ist es z. B. möglich, Stahl-Keramik-Verbundbauteile additiv zu fertigen. Die Materialien werden dabei in flüssiger Form als Tröpfchen in geeigneter Lösung (Suspension) aufgebracht.

Zur Gewährleistung einer hohen Prozessstabilität und Qualität der Bauteile benötigt man eine entsprechende Inline-Prozesskontrolle, die im Rahmen des Projekts zu einem Demonstrator mit zwei wesentlichen Komponenten entwickelt wird. Dabei soll zum einen überwacht werden, ob die einzelnen Tropfen wirklich das Dosiersystem verlassen haben (lichtschrankengestützte Überwachung des Dosiersystems), zum anderen wird die Anbindung der abgelegten Tropfen in einer Ebene untereinander mittels sogenannter Laser-Speckle-Photometrie (LSP) überprüft. Dabei wird die entstehende Struktur auch auf Porenbildung untersucht. Nur so kann verhindert werden, dass fehlerhaft eingestellte Prozessparameter die resultierenden Bauteileigenschaften verschlechtern oder zum Bauteilversagen führen. Eine nachträgliche Fehlerbearbeitung am Bauteil wäre nur teilweise möglich und würde den Vorteil der additiven Fertigung wieder aufheben.

Im Zentrum des Projekts steht damit ein Herstellungsverfahren mit berührungsloser und kostengünstiger optischer Kontrolle. Durch einen flexiblen und robusten Aufbau ist es vielfältig nutzbar, auch für andere Anwendungen, und vor allem auch unter Produktionsbedingungen einsetzbar.