Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner
Bei den additiven Fertigungsverfahren, die auch als 3D-Druck bezeichnet werden, zeigt derzeit die Nutzung mehrerer Materialien in einem einzigen Drucksystem eine hohe Dynamik. Dieser so genannte Multimaterialdruck (MMD) könnte zukünftig z. B. die direkte Integration sensorischer und elektronischer Funktionen in komplexe Strukturen erleichtern. Solche intelligenten Bauteile könnten u. a. in Bereichen wie der Robotik, der Zustandsüberwachung oder der Medizintechnik Anwendung finden.
Nach der ISO/ASTM-Normreferenz werden sieben additive Prozesskategorien unterschieden, bei denen Werkstücke schichtweise aus Ausgangsmaterialien wie z. B. Pulver, Pasten oder Filamenten aufgebaut werden. Diese unterschiedlichen Prozesse sind entsprechend für unterschiedliche Materialien mehr oder weniger geeignet bzw. umgekehrt passt jedes Material, das additiv gefertigt werden soll, besser zu einigen additiven Verfahren als zu anderen. Grundlage ist jedoch stets ein digitales 3D-Modell des Werkstücks, das von einer Software in dünne Schichten zerlegt und während des Prozesses nach und nach umgesetzt wird. Dieser Ansatz erlaubt im Gegensatz zu subtraktiven und formativen Fertigungsprozessen (z. B. Fräsen oder Schmieden) die Herstellung hochkomplexer dreidimensionaler Strukturen in einem einzigen Druckvorgang und nimmt inzwischen in zahlreichen Bereichen eine zentrale Rolle bei ihrer Fertigung ein.
Der MMD realisiert nun solche komplexen Strukturen aus verschiedenen Materialien. Damit löst er sich vom binären 3D-Druckkonzept „Material“ versus „kein Material“. Genau das stand von Anfang an auf der Wunschliste der Nutzer, war jedoch bisher nur begrenzt umsetzbar. Prototypen gradueller Bauteile, die an einem Ende aus flexiblem und am anderen aus sehr steifem Kunststoff bestehen, wurden bereits vor über zehn Jahren mithilfe mehrerer beheizbarer Düsen im Drucksystem hergestellt. Inzwischen sollen auch Bauteile, die Materialien mit signifikant unterschiedlichen Druckeigenschaften kombinieren, mit lokal unterschiedlichen und sogar widersprüchlichen Eigenschaften gedruckt werden. Dadurch wäre es möglich, innerhalb eines einzigen Bauteils etwa gezielt wärmeleitende oder wärmeisolierende Bereiche zu designen oder unterschiedliche physikalische und mechanische Funktionen zu realisieren – z. B. magnetische, elektrisch leitfähige, verschleißfeste, korrosionsbeständige oder flexible Zonen. Diese Fähigkeit macht den MMD zu einem entscheidenden Enabler für ortsaufgelöste Materialkonzepte wie Gradientenwerkstoffe, mehrdimensionale 3D-Architekturen und Metamaterialien. Besonders relevant ist dabei die Möglichkeit, Bauteile direkt zu funktionalisieren, beispielsweise durch die Integration von Leiterbahnen, Schaltkreisen oder Sensoren. So entstehen intelligente, funktionsintegrierte und gleichzeitig kostengünstige Komponenten, die als „smarte“ Bauteile neue Anwendungen eröffnen. Der technologische Fortschritt im Bereich des MMD beruht auf aktuellen Entwicklungen sowohl bei den Materialsystemen als auch bei den Druckverfahren.
Ein Schwerpunkt ist die Kombination verschiedener Druckverfahren. Je unterschiedlicher die Mischung an Materialien, desto dringlicher wird die entsprechende Kombination unterschiedlicher Verfahren. Ein Beispiel für einen solchen Ansatz ist die Nutzung von zwei Roboterarmen, die ein pastenbasiertes Direct Ink Writing (DIW) mit Fused Filament Fabrication (FFF) verbinden. Während beim FFF feste Thermoplast-Filamente wie PLA, ABS oder TPU in einer beheizten Düse aufgeschmolzen werden – optional mit Füllstoffen wie Graphit, Glas- oder Kohlenstofffasern –, verarbeitet das DIW hochgefüllte Pasten bei Raumtemperatur, die üblicherweise nachträglich ausgehärtet werden müssen. In einer aktuellen Anwendung wurde jedoch die Wärme des geschmolzenen PLA genutzt, um eine Silberpaste durch sogenanntes Selbstsintern zu verfestigen. Auf diese Weise konnte ein hybrider Drucksensor realisiert werden, der sowohl Kapazitäts- als auch Widerstandsänderungen bei unterschiedlichen Zugkräften erfasst und damit die Integration von Sensorfunktionen direkt im additiven Fertigungsprozess demonstriert.
Die Entwicklung einer ortsaufgelösten Pulverabscheidung ermöglicht den Druck komplexer metallischer Bauteile aus bis zu drei unterschiedlichen Legierungen und somit die Fertigung von z. B. Einsätzen mit konturnahen Kühlkanälen oder Schneidwerkzeugen mit harter Außenschicht und duktiler Innenzone. Hierbei wird das sogenannte „Selective Powder Deposition“-Verfahren genutzt. Innerhalb der einzelnen zu verfestigenden Pulverschicht werden die drei verschiedenen Pulver ortsaufgelöst aufgebracht. Ist diese Schicht verfestigt, wird die nächste Pulverschicht entsprechend der digitalen Vorlage mit einem anderen Muster aufgetragen und ebenfalls verfestigt. Dies ist der Schritt weg von einer reinen schichtweisen Kombination der Materialien. Mittels Selective Powder Deposition wurden bisher Stähle, Bronzen und weitere Kupferlegierungen gemeinsam gedruckt. Diese Methode der Pulverabscheidung ist explizit für eine breite Palette an Metallen und Polymeren ausgelegt, es wird jedoch auch an Keramikpulvern geforscht. Dabei ist sie nicht auf Verfahren des Laser-Sinterns beschränkt.
Die Dynamik des MMD basiert derzeit auf der Kombination verschiedener Druckertypen, der Integration neuer Prozessschritte wie Ultraschall oder zusätzlicher Schichten zur Verbesserung der Schichtverbindung sowie optimierter Softwarelösungen für einen effizienteren Materialwechsel. Des Weiteren wird das Multimaterialdesign eine zentrale Rolle bei der Entwicklung moderner Bauteile spielen. Beispielsweise wurden keramische Turbinenschaufeln additiv gefertigt und einem Thermoschock ausgesetzt (ΔT = 400 °C). Verglichen wurden ein schadenstolerantes Multimaterialdesign, bei dem eine innere Aluminiumoxid-Schicht zwischen Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Hülle und -Kern als Barriere gegen die Rissausbreitung dienen sollte, mit Mono-Keramik-Referenzproben. Es konnte gezeigt werden, dass die thermisch induzierten Risse auf der Oberfläche der Multimaterialproben innerhalb der eingebetteten Aluminiumoxid-Schichten verzweigt und gestoppt werden können, wodurch ihre endgültige Tiefe begrenzt worden ist. Die verbleibende (biaxiale) Festigkeit der Multimaterialprobe ist nach dem Thermoschock doppelt so hoch gewesen.
Generell ist eine deutliche Spezialisierung der Drucksysteme in Bezug auf die Anwendungsfelder zu erwarten. Vom hochwertigen, komplexen Massenprodukt ausgehend wird das additive Fertigungssystem maßgeschneidert werden. Je nach Entwicklungsdruck für diese Produkte könnte dies schon kurz- bis mittelfristig zu beobachten sein. Für Kleinserien mit erwartbar mehr Variation in den zu druckenden Materialien kann das gewonnene Know-how der Druckerhersteller genutzt und entsprechend erweitert werden. Die Druckverfahren, die sich relativ einfach kombinieren lassen, bestimmen die Materialien, die zeitnah gemeinsam in einem Druckschritt verfestigt werden können.
Der MMD besitzt eine hohe Querschnittswirkung und adressiert damit zahlreiche etablierte Industriezweige ebenso wie neue Marktsegmente. Durch die Möglichkeit, leistungsfähige, funktionsintegrierte Bauteile und Komponenten herzustellen, trägt der MMD maßgeblich zur Beschleunigung von Innovationen in zentralen Wachstumsmärkten bei – etwa in der Raumfahrt, der Sicherheits- und Verteidigungsindustrie oder im Bereich der klimaneutralen Mobilität. Das Multimaterialdesign dieser Bauteile und Komponenten wird ein zunehmend wichtiger Aspekt und der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, wenn die Technologien des MMD in der Breite verfügbar sein werden.
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