AGC Ceramics und voxeljet entwickeln 3D-Druckkeramik für Feingussformen und -kerne

In einem gemeinsamen Tailoring-Projekt haben der japanische Keramikexperte AGC Ceramics Co., Ltd (AGCC). und die deutsche voxeljet AG die Hochleistungskeramik Brightorb™ für den 3D-Druck qualifiziert. Neben möglichen Anwendungen für die Herstellung von Strukturbauteilen und Kunstobjekten eignet sich das Material insbesondere für die additive Fertigung von hochkomplexen Formen und Kernen für den Metallguss.

Friedberg bei Augsburg, Deutschland, Juni 2021 – Zur Entwicklung der neuen Hochleistungskeramik BrightorbTM für den 3D-Druck ist AGC Ceramics eine Kooperation mit der voxeljet AG aus Friedberg in Bayern eingegangen. Brightorb wurde auf einer VX1000 mit einem Bauvolumen von 1000 x 600 x 500 mm entwickelt. Das 3D-Drucksystem arbeitet schichtbasiert und verklebt die Keramikpartikel mit einem anorganischen Binder. Zielanwendungen für das neue, keramische Materialset sind unter anderem Kerne für Sand- und Feinguss, keramische Filter, Strukturbauteile sowie Kunst- und Produktdesign.

Das keramische Material mit dem Markennamen Brightorb besteht aus sphärischem Sand mit den Hauptbestandteilen Aluminiumoxid (Al2O3) 80 %, Zirkoniumoxid (ZrO2) 10 %, Siliziumoxid (SiO2) 9 % sowie den Mineralien Korund, Baddeleyit und verschiedenen Zementarten. Beim 3D-Druck wird Brightorb mit mittleren Korngrößen von 50 µm und Schichtdicken von 100 µm auf die Bauplattform aufgebracht und mit einem anorganischen Binder selektiv gebunden. Das anorganische Bindemittel zeichnet sich durch seine hohe Umweltverträglichkeit aus, da während des Metallgusses nur Wasserdampf entsteht. Dies verbessert die Umwelt- und Arbeitsbedingungen in Gießereien erheblich. Um die gedruckte Keramik anschließend für die endgültige Anwendung vorzubereiten, werden die gedruckten Bauteile mit einer Flüssigkeit auf Kieselsäurebasis imprägniert und in einem Sinterofen zu ihrer endgültigen Festigkeit gebrannt. Der größte Teil des unbedruckten Pulvers kann wieder aufbereitet, recycelt und dem Druckprozess wieder zugeführt werden.

„Wir beobachten bei unseren Kunden schon seit längerem eine steigende Nachfrage nach immer komplexeren Bauteilgeometrien“, erklärt Dr. Ingo Ederer, Geschäftsführer bei voxeljet. „Der große Vorteil der geometrischen Freiheit des 3D-Drucks liegt darin, dass geometrische Anpassungen die Effizienz und Effektivität von beispielsweise Triebwerken oder Turbinenrädern deutlich optimieren können. Jedoch lassen sich solche komplexen Bauteile nur selten mit konventionellen Formverfahren herstellen. Gemeinsam mit AGCC konnten wir in enger Zusammenarbeit eine VX1000 für Keramikpulver so optimieren, dass die gedruckten Bauteile für die anspruchsvollen Anforderungen des Metallgusses bestens geeignet sind. Sowohl in Bezug auf die Festigkeit als auch auf die Oberflächenqualität“, so GF Ederer.

Die 3D-gedruckten Keramiken werden beispielsweise als Kerne für den Feingussprozess verwendet, um komplexe und filigrane Hohlräume innerhalb von Gussteilen zu realisieren. Bei diesem Verfahren werden die filigranen Kerne mit konventionellen Wachsmodellen kombiniert. Diese Modelle werden mit einem keramischen Schlicker überzogen und vor dem Gießen ausgebrannt. Übrig bleibt eine hohle Keramikform, in der noch der gedruckte Kern eingesetzt ist. Anschließend wird geschmolzenes Metall in die Form gegossen. Nach dem Abkühlen werden sowohl die Form als auch der Kern entfernt. Mit diesem Verfahren ist es möglich, interne Kühlkanäle in Turbinenschaufeln zu integrieren und so den Wirkungsgrad der Turbine zu erhöhen und gleichzeitig Stillstandszeiten auf ein Minimum zu reduzieren.

Auch Yukihiro Ushimaru, Additive Manufacturing Director von AGCC, gibt sich zufrieden: „Brightorb ist eine Hochleistungskeramik, die sich aufgrund ihrer hohen chemischen Stabilität, Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und geringen thermischen Ausdehnung sehr gut für den Metallguss eignet. Wir konnten das Materialset dahingehend optimieren, dass der Schrumpfungsfaktor der gedruckten Bauteile beim anschließenden Sinterprozess bei 1.400°C weniger als ein Prozent beträgt. Damit sind die Bauteile auch für filigrane Kernkonstruktionen geeignet. Dank der hohen Feuerfestigkeit ist es möglich, Legierungen mit Schmelzpunkten jenseits der 1.600°C zu vergießen. Insgesamt wird Keramik als Werkstoff in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Gleiches gilt auch für den 3D-Druck als Fertigungstechnologie. Wir sind froh, diesen Weg gemeinsam mit voxeljet eingeschlagen zu haben und freuen uns auf die weitere, enge Zusammenarbeit.“

Brightorb wurde im Material Certification Lab von voxeljet in Friedberg, Bayern, Deutschland, qualifiziert. Das Pulver wurde von AGCC entwickelt und gemeinsam mit voxeljet an den 3D-Druck angepasst.