Materialextrusion (FFF/FDM)

Materialextrusion (FFF/FDM)

Quelle: EMPA

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• Prof. Dr. Thomas Graule

  EMPA

  Überlandstrasse 129

  CH-8600 Dübendorf

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Autor

• Dr. Frank Clemens

  EMPA

  Überlandstrasse 129

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Die thermoplastische Formgebung keramischer Formteile findet zunehmend die Akzeptanz in Industrieunternehmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Giess- und Presstechniken von keramischen Bauteilen ist das Ausbrennen des thermoplastischen Bindersystems zeitaufwendiger. Dafür ist jedoch eine einfache Lagerung des Feedstocks (Keramik-Polymer-Mischung), exakte Einstellung der Gründichte, präzise Herstellung von komplexen oder dünnwandigen Strukturen, usw. möglich. Im Vergleich zu herkömmlichen thermoplastischen Umformungstechniken (Spritzgiessen, Extrusion) bietet das thermoplastische 3D Drucken von Keramiken die Möglichkeit Bauteile individuell über einen schichtweisen Aufbau herzustellen. Typischerweise werden thermoplastische Filamente über einen Bowdenextruder einer geheizten Düse zugeführt. Der Polymerbinder wird aufgeschmolzen und an einer gewünschten Position abgelegt. Durch die Abkühlung und Erhärtung kann so eine Struktur, mit einer Schichtdicke zwischen 0.03 und 1.2 mm, aufgebaut werden.

Das Verfahren gliedert sich in mehrere Herstellungsschritte:

1. Kompoundierung des keramischen Pulvers und des thermoplastischen Binders
2. Filament- oder Granulatherstellung für den thermoplastischen 3D Druck
3. 3D Druck über Aufschmelzen des Feedstocks und Schichtweisen Auftrag des Materials
4. Thermische Behandlung (Entbinderung und Sinterung der Bauteile)

Eine Nachbehandlung der Bauteiloberfläche kann im gedruckten, entbinderten oder gesinterten Zustand erfolgen. Die Abbildung 1 zeigt einen handelsüblichen, einfachen 3D Drucker, der für die Materialentwicklung eingesetzt wird.

Abbildung 1: Handelsüblicher 3D Drucker für die Entwicklung thermoplastischer keramischer Materialien

Die Empa beschäftigt sich mit der Thermoplastischen-Formgebung und entwickelt hierfür thermoplastische Bindersysteme für das Pressen, Extrudieren, Spritzgiessen, Tauchbeschichten und 3D Drucken von keramischen Bauteilen. Aufgrund der langjährigen Erfahrung fokussiert sich die Gruppe nicht auf ein spezielles Bindersystem, sondern entwickelt und optimiert kundenorientierte, individuelle Lösungen. Im Zuge dieser Entwicklungen werden auch Bindersysteme für den thermoplastischen 3D Druck von keramischen Pulvern entwickelt. Das Additive Fertigungsverfahren von thermoplastischen Kunststoffen („Fused Deposition Modelling - FDM“ oder „Fused Filament Fabrication - FFF“) ist eine anerkannte und weitverbreitete Technologie zur Herstellung komplexer, makroskopischer Strukturen. Die Empa entwickelt thermoplastische Bindersysteme, mit denen auf herkömmlichen (Open Source) FDM Druckern keramische Bauteile kostengünstig gedruckt werden können. Abbildung 2 zeigt die wichtigsten Einflussfaktoren beim 3D Drucken.

Abbildung 2: Typische Einflussfaktoren beim thermoplastischen 3D Druck von keramischen Materialien (blau=Maschinenfaktoren, rot= Materialprobleme)