3D-gedruckte Keramik

Jan 14, 2024

Da additive Fertigungstechnologien zunehmend für eine Reihe von Anwendungen in vielen Branchen eingesetzt werden, liegt der Schwerpunkt größtenteils auf dem 3D-Druck von Metall- oder Polymermaterialien. Der 3D-Keramikdruck reift jedoch immer weiter und erreicht einen Wendepunkt, da sich Ingenieure zunehmend den überlegenen Leistungseigenschaften technischer Keramikmaterialien zuwenden.

Herkömmliche Keramikformverfahren erfordern teure Werkzeuge mit langen Vorlaufzeiten. Der Prozess ist zudem ineffizient, da das Entformen aufgrund der komplexen Formen moderner Bauteile immer komplizierter wird. Durch die Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung entstehen in diesen traditionell schwer zu verarbeitenden Materialien neue optimierte Formen, die gewichtsoptimiert oder für besondere Leistungszwecke wie Ablenken oder Absorbieren von Energie geformt sind.

Da der 3D-Druck Designer in die Lage versetzt, die Komplexität der Teilegeometrie zu steigern, führen neue Materialmöglichkeiten zu echten Durchbrüchen in der Anwendung.

Keramik wird seit Jahrhunderten im Bauwesen eingesetzt und hat sich zu einem hochmodernen Fertigungsmaterial entwickelt. Quarzsand ist beispielsweise eine Keramik, die beim Metallguss verwendet wird. Gießereien fertigen regelmäßig Werkzeuge aus dem Material und haben in den letzten Jahrzehnten den Sand-3D-Druck eingeführt, um immer komplexere Designs mit schnelleren Durchlaufzeiten in Massenproduktion herzustellen, ohne von ihrem Guss-Workflow zur Herstellung von Metallteilen für den Endverbrauch abzuweichen.

Heutzutage werden eine Reihe technischer Keramikmaterialien mit daran gebundenen Oxiden, Karbiden oder Nitriden für Anwendungen eingesetzt, bei denen höhere Umwelt- und Leistungsanforderungen gestellt werden, als sie von anderen Materialien erfüllt werden können. Technische Keramiken wie Siliziumkarbid (SiC), Aluminiumoxid und Zirkonoxid sind wegen ihrer Eigenschaften wie Biokompatibilität, hoher Härte, Ultrahochtemperaturstabilität oder Beständigkeit gegen chemische Reaktionen für den Einsatz in den extremsten Anwendungen und in den härtesten Umgebungen begehrt.

Das Binder-Jetting bietet inhärente Vorteile bei der Formung dieser Keramiken in komplexe, hochauflösende Geometrien, die mit herkömmlichen Technologien nicht realisierbar sind. Die Druckgeschwindigkeit, die Druckgröße und die Materialflexibilität ermöglichen die Verarbeitung unterschiedlichster Materialien mit höchster Geschwindigkeit. Es handelt sich um eine hoch erforschte Technologie, die weithin als das beste Verfahren zur Herstellung von SiC gilt, selbst unter anderen additiven Technologien, da das dunkle Pulver nicht UV-härtend ist und der hohe Schmelzpunkt laserbasierte Prozesse überflüssig macht. Durch die Herstellung nahezu endkonturnaher Teile werden zudem schwierige und teure Bearbeitungs- und Poliernachbearbeitungsschritte reduziert. Poröse Grünteile können gesintert, imprägniert oder infiltriert werden, um vielseitige, anwendungsspezifische Materialeigenschaften zu erzielen.

Das neue Designparadigma der additiven Fertigung, gepaart mit den fortschrittlichsten technischen Keramikmaterialien, macht das Binder-Jetting zum Vorreiter in der Anwendungsentwicklung.

Kollimatoren sind Komponenten, die in der Neutronenbildgebung verwendet werden und es Forschern ermöglichen, Eigenschaften eines Materials abzubilden, indem sie Streuneutronen absorbieren. Sie verbessern die Auflösung und reduzieren Hintergrundsignale in Experimenten, um Daten bis auf die atomare Ebene zu erfassen.

Borcarbid (B4C) ist eine technische Keramik mit starken, aber leichten Eigenschaften sowie energieabsorbierenden Eigenschaften, die besonders in Neutronenstreuinstrumenten nützlich sind. Herstellungsbeschränkungen der Vergangenheit führten dazu, dass Kollimatoren aus Klingen bestanden, die mit stark absorbierendem Material wie angereichertem Borcarbid (10B4C) beschichtet waren, in Anordnungen, die von Natur aus nur in einer Dimension kollimierten. Die eingeschränkten Formen dieser traditionellen Designs schränkten die Art der Forschung ein, die mit ihnen durchgeführt werden konnte.

Forscher von JJ X-Ray, einem dänischen Hersteller von Lösungen für Röntgen-, Synchrotronstrahlungs- und Neutronenstreuexperimente, nutzten die Designfreiheit des 3D-Drucks, um komplexere Komponenten für die 2D-Kollimation zu entwickeln. Desktop-Binder-Jetting-Systeme der Metal X-Serie druckten Würfel in 3D aus 10B4C-Pulver. Die 20-mm3-Kollimator-Prototypen verfügen über 5×5 mm gerade Wandkanäle, die mit keiner anderen Technologie hergestellt werden könnten.

Das Team von JJ Mit gekrümmten Strukturen, dünnwandigen Teilen und konischen, schmalen Kanälen verschiebt das Team weiterhin die Designbeschränkungen.

Erneuerbare Energiequellen wie Sonne und Wind werden weiter zunehmen, doch die gängige Meinung in Energiekreisen bezeichnet Kernkraft als eine der zuverlässigsten, portabelsten und umweltfreundlichsten Grundlastenergiequellen zur Unterstützung eines umfassenden modernen Energienetzes. Die negative Wahrnehmung von aufsehenerregenden Unfällen wie Three Mile Island und Fukushima macht die veraltete Nukleartechnologie deutlich, als fortschrittliche Materialien und deren Herstellungsmethoden nicht verfügbar waren.

Organisationen wie die Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) nutzen fortschrittliche Fertigungsverfahren, um sichere, kontrollierte und zuverlässige Kernenergie Wirklichkeit werden zu lassen. Der Binder-Jet-3D-Druck spielt eine grundlegende Rolle im innovativen Kraftstoffdesign der USNC. Dieses Design ermöglicht es dem Unternehmen, die Kernspaltung zu kontrollieren und Unfälle insgesamt zu verhindern.

USNC kombiniert sichere MMR-Systemdesigns (Micro Modular Reactor) mit einem fortschrittlichen Brennstoffsystem. Der Schlüssel zu diesem Ansatz ist vollständig keramischer mikroverkapselter (FCM) Kraftstoff, der mit der Desktop-Metall-Binder-Jetting-Technologie hergestellt wird und Siliziumkarbid (SiC) in 3D drucken kann.

SiC ist ein technischer Keramikwerkstoff mit extremer Umweltstabilität. Die Bedingungen in einem Kernreaktor gehören zu den härtesten in der gesamten Industrie, dennoch schrumpft SiC nicht und quillt nicht übermäßig auf wie eine herkömmliche Graphitmatrix. Es ist außerdem beständig gegen Oxidation und Korrosion und bietet Stabilität unter den anspruchsvollen Bedingungen eines Kernreaktorkerns.

Die Herstellung komplexer Teile aus SiC ist jedoch umständlich. Trotz des Wunsches der Industrie, mit dem Material zu arbeiten, gab es jahrzehntelang keinen praktikablen Herstellungsprozess, um hochreines, kristallines SiC in Nuklearqualität in die für Nuklearanwendungen erforderlichen Formen umzuwandeln. Heutzutage drucken Maschinen der Desktop Metal X-Serie SiC-Pulver in einzigartigen Geometrien in 3D, die modernen Kernbrennstoff sicher umgeben können.

Die Binder-Jet-Technologie spritzt ein Bindemittel in ein Bett aus Pulverpartikeln wie Metall, Sand oder Keramik, um jeweils eine dünne Schicht nach der anderen ein festes Teil zu erzeugen. Wichtig für den 3D-Druck von SiC ist, dass der gesamte Prozess bei niedrigen Temperaturen durchgeführt wird.

„Es gab eine ganze Reihe additiver Fertigungsmethoden, aber ein großer Teil davon basiert auf einem Hochtemperaturprozess während der Abscheidung“, sagte Dr. Kurt A. Terrani, Executive Vice President der Kernabteilung des USNC. Der international anerkannte Technologieführer erklärte: „Bei Metallen schmelzen sie die Partikel, um sie miteinander zu verbinden, aber das ist mit dem hohen Schmelzpunkt von Siliziumkarbid nicht möglich. Die Binder-Jet-Technologie ist einzigartig, weil sie wirklich auf den physikalischen Eigenschaften beruht.“ des Pulvers, und es ist im Wesentlichen unabhängig von der chemischen und Phasenstruktur des Materials. Wir können also hochreines, hochkristallines Carbid-Ausgangspulver und Pulver in Kernqualität auswählen und dann diese wirklich komplexen Geometrien formen, und das war einfach nicht der Fall bisher möglich.“

Durch die Verbindung von Binder Jetting mit chemischer Dampfinfiltration, um die poröse SiC-Struktur mit hochreinem kristallinem Siliziumkarbid zu füllen, schafft USNC komplexe, endkonturnahe Formen, ohne dass gesintert, Druck ausgeübt oder Sekundärphasen eingeführt werden müssen. Im Vergleich zur herkömmlichen Art der Verarbeitung technischer Keramik, einschließlich Mischern zur Herstellung von Schlämmen, Spritzgussmaschinen und Öfen, ist der Binder-Jet-3D-Druck laut Terrani eine elegante Lösung und ein „kostengünstiger und zuverlässiger Prozess“.

Die Fähigkeit, mit 3D-Druck in großen Mengen einzigartige Designs zu erstellen, ermöglicht es USNC außerdem, seiner Mission einer sicheren und verantwortungsvollen Kernenergie eine zusätzliche Ebene der Qualitätssicherung hinzuzufügen. „Wir drucken eine ID auf diese Teile, sodass wir vom Moment der Geburt an die Herstellungs-DNA der Reaktoren über die gesamte Produktion, die Betriebslebensdauer und nach ihrer Entladung verfolgen können“, sagte Terrani. „Mit dem Binder-Jetting können wir ein neues Paradigma für sichere, zuverlässige und kohlenstofffreie Kernenergie für die Industrie und abgelegene Gemeinden schaffen.“

Dieser Ansatz, der fortschrittliche Fertigungsdurchbrüche nutzt, schafft ein Design für einen passiv sicheren Reaktor, der eine jahrzehntealte Technologie transformiert, um sicherere und effizientere Kernreaktoren im 21. Jahrhundert zu liefern.

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