Trendthema Forschung
Schematische Darstellung der Dosiersysteme. - © Fraunhofer IKTS
06.09.2020

Additive Fertigung von multifunktionalen Bauteilen

Additive Fertigung von multifunktionalen Bauteilen

Die additive Fertigung gehört zu den derzeit wichtigsten Trends in der Industrie. Nun hat ein Team des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS eine Anlage für das Multi Material Jetting entwickelt, mit der sich unterschiedliche Werkstoffe zu einem einzigen additiv gefertigten Bauteil vereinen lassen. Dadurch sind Produkte mit kombinierten Eigenschaften oder Funktionen realisierbar. Besonders leistungsfähige Materialien wie Keramik und Metall kommen in dieser Anlage zum Einsatz.

Bei der additiven Fertigung, beziehungsweise dem 3D-Druck, wird das gewünschte Produkt nicht aus einem Stück geformt, sondern Schicht für Schicht aufgetragen. Das ermöglicht die präzise und individuelle Fertigung mit genau definierten Produkteigenschaften. Und die Technologie wird ständig weiterentwickelt. Waren es anfangs hauptsächlich Kunststoffe, werden seit einiger Zeit auch Metalle oder Keramik-basierte Werkstoffe verarbeitet.

Einen großen Schritt weiter geht nun das Fraunhofer IKTS. Die Forschenden haben eine Anlage entwickelt, mit der die additive Fertigung von Multimaterial-Bauteilen basierend auf thermoplastischen Bindersystemen möglich wird. Beim sogenannten Multi Material Jetting (MMJ) werden verschiedene Materialien mit ihren jeweils unterschiedlichen Merkmalen zu einem Produkt zusammengefügt. „Wir können derzeit bis zu vier Stoffe gleichzeitig verarbeiten“, erklärt Uwe Scheithauer, Wissenschaftler am IKTS. Die Einsatzgebiete sind vielfältig und liegen überall da, wo Unternehmen hochintegrierte multifunktionale Bauteile mit individuell definierten Eigenschaften herstellen wollen.

Anlage für das Multi Material Jetting von Hochleistungs-Komponenten mit kombinierten Eigenschaften oder Funktionen. - © Fraunhofer IKTS
Anlage für das Multi Material Jetting von Hochleistungs-Komponenten mit kombinierten Eigenschaften oder Funktionen. © Fraunhofer IKTS
Produktion: Vom Tropfen zum Werkstück

Die Fertigung geschieht in einem fortlaufenden Prozess. Zunächst erfolgt die homogene Verteilung der pulverförmigen keramischen oder metallischen Ausgangsmaterialien in einer thermoplastischen Bindersubstanz. Die so hergestellten Massen werden in Mikrodosiersysteme (MDS) eingefüllt, worauf der eigentliche Fertigungsprozess startet. In den MDS werden die Massen bei rund 100 Grad Celsius aufgeschmolzen, wodurch sie sehr fein dosierbar sind. Um eine präzise Positionierung der Tröpfchen zu realisieren, entwickelten die IKTS-Wissenschaftler eine entsprechende Software: Die Dosiersysteme legen computergesteuert hochpräzise Tropfen für Tropfen an der richtigen Stelle ab, wodurch sich das Bauteil punktweise aufbaut – bis zu 60 mm und 1000 Tropfen pro Sekunde. Die Anlage arbeitet mit einer Tropfengröße zwischen 300 und 1000 μm, was zu einer Höhe der aufgetragenen Schichten zwischen 100 und 200 μm führt. Maximal lassen sich derzeit Bauteile der Größe 20 × 20 × 18 Zentimeter herstellen.

„Das Entscheidende ist die individuelle Dosierung der Metall- oder Keramikmassen. Diese Dosierung sorgt dafür, dass das additiv gefertigte Endprodukt während der abschließenden Sinterung im Ofen die gewünschten Eigenschaften und Funktionen wie Festigkeit, thermische und elektrische Leitfähigkeit erhält”, sagt Scheithauer.

Hochpräziser Materialauftrag von bis zu 1000 Tropfen pro Sekunde. - © Fraunhofer IKTS
Hochpräziser Materialauftrag von bis zu 1000 Tropfen pro Sekunde. © Fraunhofer IKTS
Keramisches Satellitentriebwerk mit integriertem Zünder

Ein hochkomplexes Bauteil – wie beispielsweise der Zünder in einem Satellitentriebwerk aus Keramik – kann mit der neuen IKTS-Anlage realisiert werden. In der Brennkammer eines solchen Triebwerks herrschen extrem hohe Temperaturen. Die hitzebeständige Keramik ist dafür ein ideales Material. Mit MMJ lässt sich ein Zünder für das Tiebwerk herstellen, der direkt integriert ist und zudem elektrisch leitfähige und elektrisch isolierende Bereiche in einem einzigen, extrem robusten Bauteil vereint. Nötig sind dazu drei Dosiersysteme: eins für ein stützendes Supportmaterial, das während der Wärmebehandlung im Ofen zersetzt wird, ein zweites für die elektrisch leitfähige und ein drittes für die elektrisch isolierende Komponente. Auch im Bereich Consumerprodukte sind zahlreiche Anwendungen denkbar, etwa eine zweifarbige keramische Uhrenlünette, die als individuelles Einzelstück für einen Kunden produziert wird.

Aufgrund der hohen Präzision und Flexibilität der Anlage taugt sie nicht nur für die Herstellung multifunktionaler Komponenten. „Wir könnten beispielsweise auch die Rohlinge für Werkstücke aus Hartmetall fertigen. Da die Dosiersysteme extrem präzise arbeiten, sind die Rohlinge schon sehr nahe an der Endkontur und müssen anders als bei herkömmlichen Verfahren kaum mehr aufwendig nachgeschliffen werden. Das ist bei Hartmetall ein großer Vorteil“, sagt Scheithauer.

Schematische Darstellung der Mikrodosiersysteme. - © Fraunhofer IKTS
Schematische Darstellung der Mikrodosiersysteme. © Fraunhofer IKTS
Validierung und Kommerzialisierung

Das Projekt am IKTS hat gezeigt, dass die Technik auch in der Praxis funktioniert und skalierbar ist. Im nächsten Schritt folgt die Validierung für den Industrieeinsatz. Neben der Hardware bietet das IKTS Industriekunden auch die Material- und Softwareentwicklung für die Prozessüberwachung und -automatisierung an. Der Kunde erhält so alles aus einer Hand und nach seinen Anforderungen maßgeschneidert. Interessierte haben die Möglichkeit, die Technik im Rahmen der digitalen AM Ceramics meets CERAMITEC Conference am 16. und 17. September 2020 kennenzulernen.

(Quelle: Presseinformation der Fraunhofer Gesellschaft)

Schlagworte

Additive FertigungKeramikMetallMulti Material JettingWerkstoffe

Verwandte Artikel

17.06.2026

Nickel Oxides Double Reduction Speed

Researchers at the Max Planck Institute for Sustainable Materials show that nickel oxides can accelerate hydrogen-based steel production by a factor of two, reducing ener...

Alloys Automotive Carbon Cobalt DIN Emissions Energy Consumption Extraction Hydrogen Infrastructure Metal Metal production Metall Metallurgy Metals MIG MPI PE Process Stainless Steel Steel Production Sustainable TIG TWI
Read more
Unter dem Motto „Von Experten für Experten“ ist bei Air Liquide in Krefeld 2019 ein Kompetenzzentrum zum Schweißen und Schneidenentstanden.
Der Prakitker
16.06.2026

Zwischen Werkstofflabor und Schweißkabine

Der SchweisserCampus von Air Liquide in Krefeld versteht sich als Praxiszentrum für moderne Schweiß- und Schneidtechnik. Hier treffen Anwendungstechnik, DVS-zertifizierte...

Cobot Fertigungsprozess Fügen Fügetechnik Handlaserstrahlschweißen Laserstrahlschweißen Praxis Prozessführung Prozessparameter Prüfprobe Rauchentwicklung Schneiden Schneidtechnik Schutzgas Schweißen Schweißkabine Schweißnaht Schweißparameter Schweißrauch Schweißtechnik Schweißverbindungen Trennen Trenntechnik VR Wärmeeinbringung Werkstoffe Werkstofflabor Zusatzwerkstoffe
Mehr erfahren
Mit der neuen Gasverdüsungsanlage kann SSAB hochwertiges Metallpulver im industriellen Maßstab herstellen und die wachsende Nachfrage bedienen
14.06.2026

Gasverdüsungsanlage zur Metallpulverproduktion für die additive Fertigung

Mit einer neuen Gasverdüsungsanlage kann SSAB hochwertiges Metallpulver im industriellen Maßstab herstellen und die wachsende Nachfrage bedienen.

3D-Druck Additive Fertigung Gasverdüsungsanlage Hochfestes Stahlpulver Metallpulver Prozesskette Pulverhandling Verteidigung
Mehr erfahren
04.06.2026

Mit dem Industrietechniker Additive Fertigung dem Fachkräftemangel begegnen

Der geprüfte Industrietechniker Fachrichtung Additive Fertigung (IHK) vermittelt umfassendes und praxisnahes Know-how entlang der gesamten Prozesskette.

Additive Fertigung Fachkräftemangel Fügen von Kunststoffen Industrietechniker Joining Plastics JP Weiterbildung
Mehr erfahren
Ingo Reinhold während der Arbeit an einem CAD-Modell
01.06.2026

Eröffnung des 3D-Druck-Labors an der HTWK Leipzig

Einladung zur Eröffnung des neuen „Additive Multimaterial Manufacturing“-Labors am 10. Juni 2026 – mit Symposium, Preisverleihungen und campusweiten Laborführungen zur ad...

3D-Druck Additive Fertigung Bio-Printer Maschinen- und Anlagenbau Polymer-3D-Drucker Symposium
Mehr erfahren