AM-Anwendungen explodieren mit Multimaterialdruck

Dec 09, 2023

Die additive Fertigung (AM) bietet branchenübergreifend eine Vielzahl von Möglichkeiten, da Maschinen, Methoden und Materialien kontinuierlich verbessert werden. Und wie bei Multimaterial-Designs, die mit konventionellen Herstellungsprozessen erstellt werden, entfaltet der kleine, aber wachsende Bereich des Multimaterial-3D-Drucks noch mehr von AMs Leistungsfähigkeit.

Multimaterialsysteme ermöglichen Variationen wie funktionale Gradientenkonstruktionen, Verbundwerkstoffe, neuartige Legierungen und neue Möglichkeiten zur Herstellung elektrischer und elektronischer Komponenten. Mit der Methode werden so unterschiedliche Geräte wie Gelenkimplantate, Roboter-Endarmgreifer und Leiterplatten hergestellt.

Es kann auch den Wissenschaftler in den Praktikern zum Vorschein bringen. „Was wäre, wenn ich beim Multimaterial-3D-Druck gezielt ein wenig von Material A hier und ein wenig von Material B dort auflege?“ postulierte Greg Paulsen, Leiter Anwendungstechnik beim digitalen Fertigungsmarkt Xometry Inc., North Bethesda, Md.

„Sie können sogenannte digitale Materialien erstellen, bei denen Sie ein starres Material mit etwas gummiartigem Material versehen, damit es weicher und biegsamer wirkt“, sagte Paulsen. „Oder Sie können den umgekehrten Weg gehen, einen wirklich weichen Gummi verwenden und ihn etwas fester machen, indem Sie ein wenig starres Material hinzufügen. Und plötzlich können Sie in einem einzigen Druck oder Durchlauf ein Objekt erstellen, das …“ kann entweder eine simulierte Umspritzung haben oder es können unterschiedliche Eigenschaften im selben Druck integriert sein.“

Es gibt jedoch eine Einschränkung. Aufgrund ihrer Neuheit seien die meisten Multimaterialanwendungen bisher in die Forschung und die akademische Welt verbannt worden, bemerkte Paulsen und charakterisierte die Praxis als „relativ neues Feld“.

Er ist nicht allein. Die Aconity3D GmbH aus Herzogenrath, Deutschland, die Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF)-Drucker für Metalle herstellt, bezeichnete ihre Multimaterial-Kunden als „Early Adopters“, die überwiegend aus dem akademischen Bereich kommen. Tatsächlich war der Technologietransfer von der Idee zur Realität bisher eher ein Rinnsal als ein Strom, da sich der Multimaterialdruck als industrieller Prozess etabliert.

Das Drucken und Nachbearbeiten von zwei unterschiedlichen Materialien in AM erfordert eine sorgfältige Bewertung ihrer Eigenschaften. „Es ist sicherlich nicht unbegrenzt“, sagte Shawn Allan, Vizepräsident von Lithoz America LLC, Troy, NY, das lithografiebasierte 3D-Keramikdrucker herstellt.

Auf die Frage, ob zwei Materialien während des Hochtemperatur-Sinterprozesses und der anschließenden Abkühlung kompatibel sind, dachte Allan darüber nach. „Dinge, auf die wir achten müssen, sind: Verbinden sich diese Materialien miteinander? Denn einige Materialien wollen beim Brennen nicht sehr gut miteinander verbunden bleiben“, sagte er. „Einer der größten Faktoren, die wir berücksichtigen müssen, sind Diskrepanzen bei der Wärmeausdehnung.“

Wenn die Diskrepanz zwischen den beiden Materialien groß ist, kann es während der Bearbeitung zu einer inneren Eigenspannung im Teil kommen. Laut Allan wird dies entweder dazu führen, dass sich die Materialien auflösen oder „energisch auseinanderspringen“ – sprich explodieren!

Die Dilatometrie misst sowohl die thermische Ausdehnung als auch die Kontraktion beim Sintern. Dadurch, so Allan, können Benutzer bewerten, wie sich zwei Materialien für sich allein verhalten, und erkennen, wie sie sich überlappen, um „ein Gefühl dafür zu bekommen, ob dies möglicherweise eine gute Kombination für die Zusammenstellung ist“.

Neben der Kombination zweier Keramiken tüftelt Lithoz auch an der Zugabe von Metallen zu Keramiken. „Dann haben Sie die Möglichkeit, Leitfähigkeitspfade durch Materialien zu legen, während dies normalerweise in Form von zwei separaten Schritten oder durch Siebdruck erfolgen müsste“, sagte Allan. „Aber wir können Leiterbahnen durch einen Isolator drucken. Auf diese Weise wird das Design für elektrische Komponenten eröffnet.“

Praktische Anwendungen für das Drucken von Metall im Inneren einer Keramik könnten industrielle Reaktoren für chemische Prozesse und Geräte zur Kauterisierung während der Operation sein. Allerdings erfordert Keramik beim Brennen wesentlich höhere Temperaturen, als manche Metalle aushalten können, ohne zu schmelzen.

„Wenn jemand eine Keramik mit Aluminium verbinden möchte, wird das nicht funktionieren … denn Aluminium schmilzt bei 600 °C, vielleicht 660 °C, aber wir stellen fest, dass die niedrigste Temperatur, bei der Keramik brennt, bei etwa 1.000 °C liegt.“ C“, sagte Allan. „Und dabei handelt es sich in der Regel um spezielle Glaskeramiken, die sich gut mit Metallen kombinieren lassen.“

Für Metalle wie Kupfer, Silber und Gold verwendet Lithoz gemeinsam brennbare Niedertemperaturkeramik (LTCC). Ähnlich wie Glaskeramik sind LTCCs darauf ausgelegt, bei 800–1.000 °C zu sintern, was für Keramik eine sehr niedrige Temperatur ist und unter der Temperatur liegt, bei der Kupfer, Silber und Gold schmelzen.

„Wenn Sie Aluminiumoxid und Kupfer verwenden möchten, wird das nicht funktionieren, da das Aluminiumoxid zum Sintern eine Temperatur von 1.600 °C erreichen muss“, sagte Allan. „Aber wir könnten, sagen wir, Aluminiumoxid und Platin zusammen oder Aluminiumoxid und Molybdän (drucken). Sie mögen sich wirklich, sie arbeiten gut zusammen.“

Das Drucken mit Metallpulver, wie es mit den Druckern von Aconity3D durchgeführt wird, bietet die Möglichkeit, „Quasi-Legierungen“ herzustellen, was mit zu Barren geformten Metallen nicht möglich ist.

„Sie können Pulver A, sagen wir Chrom, und Pulver B, Kupfer, nehmen“, erklärte Yves Hagedorn, CEO von Aconity3D. „Wenn diese Materialien im Verhältnis 50/50 gemischt werden, bilden sie keine Legierung, die zur Herstellung von Barren verwendet wird. Daher ist es beim konventionellen Gießen unmöglich, jemals ein Teil in den Händen zu halten, das zur Hälfte aus Chrom und zur Hälfte aus Kupfer besteht.“ "

Möglichkeiten eröffnen sich jedoch mit einer trocken gemischten Kombination aus jeweils 50 % Chrom- und Kupferpulver. „Man schießt mit einem Laser darauf und dann erhält man eine sogenannte Quasi-Legierung“, sagte Hagedorn. „Also keine echte Legierung, aber man hat die Vorteile und, enttäuschenderweise, auch die Nachteile beider Materialien.“

Der Multimaterial-Ansatz des in Linares (Spanien) ansässigen Unternehmens Meltio konzentriert sich auf die Verwendung von Standard-Schweißdrähten aus verschiedenen Metallen – Edelstahl, Titan, Kohlenstoffstählen und Inconel –, um deren vorteilhafte Eigenschaften auszunutzen.

„Dies könnte beispielsweise darin bestehen, in Bereichen, die während des Betriebs einem Verschleiß aufgrund von Reibung oder anderen Faktoren ausgesetzt sind, ein verschleißfesteres Material zu verwenden, während für den Hauptteil ein kostengünstigeres und möglicherweise duktileres Material verwendet wird“, sagte Giorgio Olivieri. Anwendungstechnischer Manager bei Meltio.

Die Technik kann auch ein korrosionsbeständiges Material auf der Oberfläche umfassen, während im Innenraum ein übliches Material wie Edelstahl verwendet wird. Die Strategie von Meltio maximiert den wirtschaftlichen Nutzen, indem teure Materialien (z. B. Inconel), Superlegierungen und Legierungen auf Nickelbasis nur dort eingesetzt werden, wo sie benötigt werden. Gleichzeitig werden schwer zerspanbare Materialien dort abgelagert, wo es nötig ist, um die Nachbearbeitung zu reduzieren.

„Es gibt Fälle, in denen man allein aufgrund der Bedingungen auf den Außenflächen ein viel wertvolleres Material verwenden muss, während dieses Material im Kern keine mechanischen Eigenschaften oder Vorteile bietet“, bemerkte Olivieri. „Die Möglichkeit, das Material genau dort abzulegen, wo es benötigt wird, ist eine enorme Ersparnis im Hinblick auf die tatsächlichen Kosten des Teils.“

Wenn Meltio beispielsweise ein Laufrad für eine Pumpe herstellt, würde ihm eine äußere Schicht aus Inconel Korrosionsbeständigkeit verleihen, ohne dass das gesamte Teil aus diesem teuren Material gefertigt werden müsste. Alternativ zu Edelstahl und Inconel kann ein Teil auch aus Werkzeugstahl mit Zusatz von Stellite, einer korrosionsbeständigen Kobaltlegierung, in verschleißgefährdeten Bereichen hergestellt werden.

Die Igus GmbH, ein in Köln ansässiger Hersteller und Vertreiber technischer Produkte aus Hochleistungskunststoffen, sieht Potenzial für sogenannte Smart Bearings, die im Multimaterial-3D-Druck hergestellt werden.

Die Rundlager sind zweischichtig bedruckt. Die Außenhaut ist ein dünner (0,25–0,3 mm) selbstschmierender Kunststoff aus einer tribologisch optimierten Polymermischung. Unter der oberen Abdeckung befindet sich eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Kunststoff, während ein Controller kontinuierlich den elektrischen Widerstand des Teils misst.

„Über die Lebensdauer des Lagers verändert sich der Widerstand“, sagt Tom Krause, Leiter der 3D-Druck-Abteilung bei Igus. „Sobald die (selbstschmierende Kunststoff-)Oberfläche abgenutzt ist, fließt Strom von einem Stromkreis durch die Welle zum anderen Stromkreis. Und das ist für uns die Information, dass das Lager kaputt ist.“

Es stehen verschiedene Arten von Benutzeroberflächen zur Verfügung. Die einfachste ist eine LED-Leuchte mit grünen und roten Lampen. „Eigentlich geht es nur um An oder Aus“, betonte Krause. „Es fließt nur Strom oder nicht. Dazwischen gibt es nichts.“

Eine weitere Option ist die Verwendung des i.Sense-Controllers von igus, der eine Dashboard-Warnung anzeigen, einen Controller auslösen kann, um die Maschine auszuschalten, oder beides. „Obwohl Ingenieure daran interessiert sind“, glaubt Krause, dass sie nicht wissen, wo sie anfangen sollen, „denn man muss das Teil entwerfen und eine Idee haben, wo man es verwenden soll.“

Umgekehrt wüssten die Igus-Ingenieure genau, wie man ein intelligentes Lager einsetzt. Das Unternehmen stellt intelligente Energieführungsketten für seine Energieketten her und nutzt dabei das gleiche Konzept wie seine Lager: eine selbstschmierende Schicht über einer leitfähigen Kunststoffschicht. Mit der Abnutzung der selbstschmierenden Schicht verändert sich die elektrische Leitfähigkeit.

Der größte Unterschied besteht in der Form des Teils. In diesem Fall handelt es sich laut Krause eher um einen rechteckigen als um einen runden Block mit vier Schichten.

„Wenn jede Schicht abgebrannt ist, erhalten wir Informationen darüber, ob sie abgenutzt ist oder nicht.“

Dies ermöglicht eine vorausschauende Wartung. Wenn ein Bediener weiß, wie lange es gedauert hat, die erste Schicht abzunutzen, kann er berechnen, wie viel länger es dauern wird, bis die zweite, dritte und vierte Schicht abgenutzt sind. Da die Energieketten abschnittsweise aufgebaut sind, kann jedes Teil mit einer intelligenten Energieführungskette ausgestattet werden, die einen Fehlerort sowohl erkennen als auch identifizieren kann.

„Wenn es in nur einem Bereich einen Bruch gibt, ist es für uns sehr einfach, diesen zu reparieren oder die einzelnen Komponenten auszutauschen“, sagte Mike Rielly, Leiter der AM-Geschäftseinheit von igus in Rumford, Rhode Island. „Also wenn es aufgrund von Stress zu einem Bruch kommt.“ oder was auch immer es war, wenn wir diese Benachrichtigung erhalten, können wir, anstatt dass das gesamte System ausfällt, Ausfallzeiten vermeiden, indem wir einfach diesen Bereich, diesen Abschnitt, schnell reparieren.“

Die Ingenieure von Igus tüfteln daran, das intelligente Lager um die Fähigkeit zur Kraftmessung zu erweitern. In diesem Fall ist das Innenmaterial nicht nur leitfähig, sondern auch elastisch. „Und dieses elastische, leitfähige Material verformt sich stärker, wenn äußere Kräfte wirken“, sagte Krause. „Und durch diese Ablenkung können wir wieder Unterschiede im Widerstand messen, sodass wir auch Auskunft geben können, bevor etwas kaputt geht.“

Sobald der Sensor einen bestimmten Schwellenwert erreicht, der anzeigt, dass ein Problem vorliegt, können Bediener eine Maschine abschalten, bevor sie ausfällt. „Aber das ist wirklich noch sehr experimentell“, sagte Krause. „Wir haben noch keine Kundenanwendungen.“

Auch Aconity3D sieht großes Potenzial für Sensoren, seine Ideen drehen sich jedoch um eingebettete oder integrierte Detektoren. „Grundsätzlich spielt man mit dem Unterschied im elektrischen Widerstand“, sagte Hagedorn.

Er beschrieb ein Teil aus Aluminium mit einer darin aufgedruckten Kupferlinie. Die Kupferleitung ist mit zwei Kabeln verbunden. „Am Ende schließen Sie einfach die Kabel an und schon wäre Ihr Sensor in Ihrem Teil implementiert“, sagte Hagedorn. „Unter mechanischer Belastung würde sich der spezifische Widerstand der Kupferleitung erhöhen. Und wenn Sie nun einer Belastung ausgesetzt sind, können Sie sie messen.“

Über Sensoren hinaus besteht Potenzial für den Multimaterial-3D-Druck von Elektronik. Mindestens ein Unternehmen, Nano Dimension Ltd., Waltham, Mass., fördert mit seinem DragonFly-Drucker die industrielle Produktion additiv gefertigter Elektronik.

Sobald die Materialkompatibilität definiert ist, besteht laut Allan ein großes Potenzial für die Verwendung von Keramik beim Multimaterialdruck. Lithoz hat insbesondere mit funktional abgestufter Keramik gearbeitet.

„Vielleicht haben wir zwei verschiedene Schlämme desselben Materials, aber einer enthält einen Opferzusatz, der ihm eine höhere Porosität verleiht“, sagte er. „Dadurch können Sie Dinge wie die thermischen und sogar akustischen Eigenschaften des Materials von einem Ende zum anderen anpassen. Eine andere übliche Sache könnte wiederum sein, dass mehr oder weniger dasselbe Material verwendet wird, aber für die Farbe unterschiedliche Dotierstoffe hinzugefügt werden.“

Farbstoffe können die Opazität steuern, was bei Elektronikverpackungen erforderlich sein kann. Bei Zahnrestaurationen wie Veneers und Kronen können Farbverläufe für ein natürliches Aussehen sorgen. Zur Gestaltung oder zum Branding können auch Farben eingearbeitet werden.

Funktionell abgestufte Porosität kann als Gatekeeper für die Wärmeleitung fungieren. Ebenso kann es Gase oder Flüssigkeiten ermöglichen oder behindern, durch ein Teil zu strömen. „Wir möchten vielleicht einen Abschnitt, der undurchlässig ist, und vielleicht einen anderen Abschnitt des Teils, der wie ein Filter oder ein Weg für den Transport von Flüssigkeiten oder Gasen von einem Ort zum anderen fungiert“, sagte Allan.

Der Multimaterial-3D-Druck könnte auch als Hilfsmittel oder Ersatz für das Zusammenlöten von Keramikkomponenten dienen – oder für die Herstellung einer gasdichten Abdichtung. „Jetzt ist es vielleicht möglich, diese Verbindung anders zu gestalten, noch dreidimensionaler, so dass wir vielleicht eine bessere Verzahnung des Hartlots mit dem Material erreichen können, denn normalerweise werden diese Dinge einfach übereinander geschichtet und zusammen gebrannt oder als separate Komponenten zusammengepresst.“ Sagte Allan. „Aber vielleicht können wir das Lot tatsächlich etwas besser in die Keramik integrieren.“

Cesar Terrazas-Najera, Präsident von AconityUS Inc., El Paso, Texas, sieht Potenzial für industrielle Sicherheitsmaßnahmen im Multimaterial-3D-Druck. „Eine der Ideen besteht also darin, QR-Codes tatsächlich in das Teil selbst einzukapseln, damit es nicht gefälscht werden kann“, sagte er. „Das ist für die Industrie von großer Bedeutung, denn jetzt kann ich garantieren, dass niemand ein an einen Kunden geliefertes Teil fälscht. Der Kunde kann es scannen und sicherstellen, dass es sich um das Teil handelt, für das es gedacht war.“

Terrazas-Najera erklärte, dass der QR-Code in ein Metall gedruckt werden kann, das sich vom Material eines Teils abhebt, wie es auf einem CT-Scan abgebildet ist. Es bestehe noch weiteres Potenzial für den Druck anderer Informationen, etwa Anweisungen zur Herstellung des Teils oder Details zur Nachverfolgung des Teils, sagte er.

Meltio betrachtet den Multimaterial-3D-Druck als Alternative zum Laser- oder Schweißplattieren. „Wenn wir über Verkleidungen sprechen, dann meist auf Außenflächen relativ einfacher Teile“, sagte Olivieri. „Durch den schichtweisen Aufbau eines Teils mit zwei Materialien kann unser System das „Verkleidungs“-Material in Bereichen auftragen, die mit (herkömmlicher) Verkleidung niemals erreicht werden könnten.“

Der Multimaterial-3D-Druck inspiriert nicht nur zu neuen Ideen, sondern erfordert laut Paulsen auch eine andere Denkweise für Designer und Ingenieure. Die traditionelle Denkweise besteht darin, einem Teil Merkmale hinzuzufügen, die überall die gleichen Eigenschaften haben, aber das ist nicht mehr unbedingt der Fall.

„Das stellt alles auf den Kopf“, sagte Paulsen. „Und ich denke, das ist etwas, das sowohl eine andere Denkweise als auch intuitive Software erfordert. Wir haben vielleicht CAD-Designer (Computer Aided Design) und Ingenieure, die sich dafür interessieren, aber möglicherweise nicht wirklich oder einfach dazu in der Lage sind.“ Erstellen Sie eine Datei, die davon stark profitieren kann.

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