3D-Siebdruckverfahren

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3D-Siebdruck (englisch 3D screen printing) ist ein binderbasiertes, additives Formgebungsverfahren aus der Verfahrensgruppe der Materialextrusion. 3D-Siebdruck verbindet hohe Auflösung mit hoher Produktivität. Beim 3D-Siedbruck wird mit einer Rakel, Lage für Lage, eine Suspension (Druckpaste) durch eine Druckform (Siebdrucksieb, Schablone) gedrückt.

3D-Siebdruck eignet sich für die Massenproduktion (5.000 bis mehrere Millionen Stück p. a.) von kleinen (Grundfläche 1 bis 50 mm), flachen (0,1 bis ca. 50 mm) Bauteilen mit hoher Detailauflösung (Strukturen ab 70 µm), Oberflächengüte (Mittenrauwert, Ra = 2 µm) und hohem Verhältnis von Höhe zu Breite (Aspektverhältnis, bis zu 100:1)[1][2]. Metallische und keramische Werkstoffe sind verarbeitbar; genauso wie Materialkombinationen. Eine Besonderheit ist die Herstellung abgeschlossener Kavitäten.

Das Verfahren wurde 1992 patentiert[3].

Verfahrensablauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

3D-Siebdruck gliedert sich in folgende Teilprozesse:

  1. Herstellung eines sogenannten Grünkörpers durch Wiederholung der Prozessschritte[4][5]: Fluten, Drucken und Aushärten bis zum Erreichen der gewünschten Grünkörper-Bauteilhöhe
  2. ggf. mechanische Bearbeitung des Grünkörpers
  3. Verfestigen des Grünkörpers durch Sintern
3D-Siebdruck Prozesschema

Fluten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit einer Flutrakel wird die Druckpaste auf dem Siebdrucksieb gleichmäßig verteilt (Fluten). Das Fluten hat den Zweck, die Siebmaschen mit Druckpaste zu füllen. Beim Fluten findet noch kein Abdrucken statt.

Drucken[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Drucken wird eine weitere Rakel, die sogenannte Druckrakel, über das Siebdrucksieb gezogen. Der Anpressdruck der Druckrakel ist so gewählt, dass das Siebgewebe beim Drucken bis auf die Oberfläche des Drucksubstrates heruntergedrückt wird. Durch den Kontakt des Siebes mit der Bedruckstoffoberfläche erfolgt die Übertragung der Druckpaste aus den gefüllten Siebmaschen auf die Oberfläche des Drucksubstrates.

Gesinterte Siebdruckteile

Aushärten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Aushärten bzw. die Trocknung jeder Drucklage erfolgt durch thermisches Austreiben von Lösemitteln bzw. Wasser mit IR-Strahlung oder durch Aktivierung eines Härters z. B. durch UV-Strahlung. Im drucktechnischen Sprachgebrauch versteht man auch die Aktivierung eines Härters mit UV-Strahlung als "Trocknung".

Grünbearbeitung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sind die Prozessschritte Fluten/Drucken/Aushärten ausreichend oft wiederholt, liegt ein mechanisch stabiler, meist offenporöser Grünkörper vor. Im Grünkörper verklebt ein Binder die einzelnen Pulverteilchen miteinander. Grünkörper können mittels spanender Bearbeitungsverfahren (Bohren, Drehen, Fräsen etc.) weiterverarbeitet werden, bzw. lassen sich durch Fügeverfahren mit anderen Grünkörpern zu komplexeren Gebilden zusammensetzen.

Sintern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sintern ist eine Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des verdruckten Werkstoffes[6]. Beim Sintern bewirken Stofftransportvorgänge die Verdichtung des Pulverkörpers. Die Porosität sinkt, die Festigkeit steigt und die Außenmaße des gesinterten Bauteiles nehmen ab (Schwindung). Die Schwindung 3D-siebgedruckter Bauteile liegt zwischen 5 und 20 % (linear)[2].

Vor dem Sintern werden die organischen Hilfsstoffe (Härter, Binder etc.) aus dem Grünling entfernt (Entbinderung). Dies geschieht meist durch Wärmebehandlung (thermische Entbinderung) oder seltener durch Auswaschung mit Lösungsmitteln (Lösemittelentbinderung). Da die mit 3D-Siebdruck gedruckten Grünkörper offenporös sind, lassen sich hohe Aufheizraten während der Entbinderung realisieren.

Druckpaste[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Druckpaste besteht im Allgemeinen aus folgenden Komponenten:

  • Trägermedium (Wasser oder organisches Lösungsmittel)
  • Feststoffteilchen (keramische oder metallische Partikel)
  • Binder (verklebt die Feststoffteilchen nach dem Aushärten)
  • Additive (dienen der Dispergierung der Feststoffpartikel, der Einstellung der Viskosität sowie Regulation des Trocknungs- und Benetzungsverhaltens)

Es ist möglich, in Druckpasten Pulver mit verschiedener Teilchengröße einzumischen. Es gibt keine Beschränkung hinsichtlich einer minimalen Teilchengröße. Die maximale Teilchengröße hängt von der Öffnungsweite des verwendeten Siebgewebes ab.

Druckformen: Siebdrucksiebe und Schablonen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siebdrucksiebe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siebdrucksiebe bestehen aus einem Metallrahmen mit einem straff gespannten Polymer- oder Metalldrahtgewebe, das in den Metallrahmen eingeklebt ist. Entsprechend dem gewünschten Drucklayout trägt das Siebgewebe eine Polymerschicht, die die nicht druckenden Areale des Siebgewebes verschließt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Druckpaste nur durch diejenigen Stellen des Siebgewebes gedrückt wird, die für das Drucklayout erforderlich sind. Unterschiedliche Drahtmaterialien, Drahtdicken, Siebspannungen und Rahmengrößen sind kommerziell verfügbar.

Nahaufnahme eines Siebdrucksiebes

Schablonen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schablonen bestehen aus einem Metallrahmen in den statt eines Siebgewebes eine Metallfolie eingeklebt wurde. Die Metallfolie mit einer Dicke von 100 bis 500 µm enthält mittels Laserschneiden, chemischem Ätzen o. ä. Verfahren eingebrachte Öffnungen. Im Unterschied zu Siebdrucksieben zeichnen sich Schablonen durch eine höhere druckbare Schichtdicke aus. Jedoch sind Drucklayouts wie hohle Ringstrukturen nur schwer oder gar nicht mit Schablonen druckbar.

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Materialauswahl[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit 3D-Siebdruck lassen sich prinzipiell alle Werkstoffe verarbeiten, die in Pulverform verfügbar sind und deren Sintertemperatur über der erforderlichen Temperatur zum Austreiben des Binders liegt. Bisher gelang erfolgreich die Verarbeitung von industriell relevanten Werkstoffen, wie etwa Legierungen auf Basis von Stahl (1.4404, 1.4542), Nickel, Kupfer, Titan bis hin zu Keramiken, Gläsern und Hartmetallen[5][7][8][9][10]. Zusätzlich besteht die Möglichkeit zur Kombination unterschiedlicher Materialien wie Metalle und Keramiken.

Überdruckte Kanalstruktur

Bauteildesign[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ideal zur Fertigung mit 3D-Siebdruck geeignet sind kleine (Grundfläche 1 bis 50 mm) und flache (Höhe 0,1 bis 50 mm) Bauteile, die keine oder nur wenige Ebenenwechsel aufweisen. Eine hohe Gestaltungsfreiheit beim Design der Bauteile erhält man durch optionale Siebwechsel. Dadurch ist der Druck komplexer Bauteile mit Überhängen, Hinterschneidungen oder geschlossenen Hohlräumen – die mit konventionellen Fertigungsverfahren gar nicht oder nur unwirtschaftlich herstellbar sind – möglich[9]. Im Gegensatz zu anderen pulverbasierten generativen Verfahren wird kein stützendes Pulverbett benötigt. Dies spart den sogenannten "depowdering" Schritt und erlaubt die Herstellung komplett abgeschlossener Kavitäten sowie komplexer innerer Kanalstrukturen[1][2]. Durch Wechsel des Druckmaterials während des Druckens lassen sich Bauteile mit gradiertem Materialaufbau herstellen.

Oberflächengüte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Vergleich zu anderen additiven Verfahren, wie dem Selektiven Laserschmelzen, lassen sich Bauteile mit höherer Oberflächengüte (Ra = 2 µm[1][2]) bei gleichzeitig hoher Präzision fertigen. Grund hierfür ist, dass in Druckpasten für 3D-Siebdruck Partikel mit geringerem Durchmesser (bis unter 1 µm) im Vergleich zu pulverbettbasierten Verfahren verwendet werden können.

Wandstärke[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch die Verwendung feiner Pulver sind Bauteilauflösungen ab etwa 70 µm sowie dünne Kanäle mit einem Wandabstand bis hinab zu 100 µm und Wandstrukturen mit einem Aspektverhältnis (Höhe/Breite) von bis zu 100:1 herstellbar[1][2].

Tauglichkeit für die Großserienproduktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

3D-Siebdruck ist ein Massenproduktionsverfahren mit besonderer Eignung für komplexe miniaturisierte Bauteile[1][2][11][12]. Wichtig für die Produktivität des 3D-Siebdruckverfahrens ist eine möglichst hohe Schichtdicke jeder Drucklage (aktueller Stand der Technik: 5 – 150 µm mit Siebdrucksieben und > 150 µm mit Schablonen), eine kurze Aushärtezeit, eine hohe Anzahl von Bauteilen auf jedem Drucklayout sowie eine geringe Bauteilhöhe.

Aufgrund der möglichen Grundfläche der Bauplattform (300 × 300 mm bis zu 500 × 500 mm) sind theoretische Bauraten bis zu 5000 cm³/h pro Druckstation realisierbar[2], unter Berücksichtigung der Sinterschwindung liegt die Baurate bei Realbauteilen mit unter 1000 cm³/h allerdings meist deutlich darunter. Im Unterschied zu Press- oder Extrusionsverfahren, die z. T. erhebliche Werkzeugkosten und Werkzeugherstellungszeiten aufweisen, sind die Kosten und die Zeitdauer zur Herstellung von Siebdrucksieben wesentlich geringer.

Trotz des immer noch bestehenden Entwicklungsbedarfes[13], sind für die Großserienfertigung bereits industrielle Liniensysteme mit automatisierten Druck- und Aushärtestationen sowie integrierten Ofensystemen erhältlich[14]. 3D-Siebdruck weist deutliche positive Skaleneffekte auf. Das heisst eine Anlage mit doppeltem Ausbringen ist nicht doppelt so teuer, wie eine kleinere.

Anwendungsfelder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Chemische/Pharmazeutische Industrie (z. B. Mikro-Mischer und -Reaktoren)
  • Elektromaschinenbau (z. B. Stellmotoren, Elektrobleche)
  • Energietechnik (z. B. Elektronikkühlung, Brennstoffzellenkomponenten)
  • Maschinenbau (z. B. Turbinendichtungen)
  • Mikrosystemtechnik (z. B. Elektroden, Aktuatoren, integrierte Sensorik)
  • Pneumatik (z. B. Magnetventile)
  • Schmuckindustrie

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d e T. Studnitzky; M. Jurisch; K. Reuter; A. Strauss; S. Riecker; M. Dressler: 3D Screen and Stencil Printing: Real Mass Production For Metals, Ceramics And Their Combinations. Hrsg.: Proceedings – World PM 2016. 2016, ISBN 978-1-899072-48-4.
  2. a b c d e f g M. Dressler, S. Vasic: 3D-Siebdruck: Filigrane keramische Bauteile in Großserie. In: Keramische Zeitschrift. Band 71, Nr. 5. Springer Verlag, 2019, S. 52–55.
  3. Verfahren zur herstellung von formkörpern mit vorbestimmter porenstruktur. Abgerufen am 17. Juni 2020.
  4. Additive Fertigung mit 3D-Siebdruck / Additive Manufacturing with 3D Screen Printing. Abgerufen am 17. Juni 2020.
  5. a b M. Jurisch, T. Studnitzky, O. Andersen, B. Kieback: 3D-Siebdruck – Vorreiter für die flexible generative Fertigung. In: Ingenieur Werkstoffe. 2013.
  6. W. Schatt, K. Wieters, B. Kieback: Pulvermetallurgie - Technologien und Werkstoffe. Springer Verlag, 2007, ISBN 978-3-540-23652-8.
  7. M. Lindner, J. Rudolph, P. Bräuer, R. Werner, S. Riecker, T. Studnitzky, B. Kieback: Dreidimensionaler Siebdruck als material-, energie- und kosteneffiziente Fertigungsmethode für Komponenten elektromagnetischer Energiewandlungssysteme. In: Energie- und materialsparende Produktionstechniken. Internationaler ETG-Kongress Energieversorgung auf dem Weg nach 2050. Berlin 2013.
  8. M. Dressler, T. Studnitzky, B. Kieback: Additive manufacturing using 3D screen printing. In: 2017 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA). IEEE, Verona, Italy 2017, ISBN 978-1-5090-4451-1, S. 476–478, doi:10.1109/ICEAA.2017.8065283 (ieee.org [abgerufen am 1. Januar 2020]).
  9. a b T. Studnitzky, A. Strauß, O. Andersen, G. Stephani, G. Walther, P. Quadbeck, J. Trapp, B. Kieback: Suspensions- und Pastentechnologie zur Herstellung von PM-Werkstoffen und Bauteilen. In: Fachverband Pulvermetallurgie -FPM- (Hrsg.): Vorträge und Ausstellerbeiträge des Hagener Symposiums am 25. und 26. November 2010 in Hagen. Heimdall, Hagen 2010, S. 223–245.
  10. T. Studnitzky, A. Strauß: Präzisionsbauteile durch Siebdruck hoch drei. Abgerufen am 1. Januar 2020.
  11. M. Dressler, T. Studnitzky, B. Kieback: Kostengünstige Mikrobauteile mit 3-D-Siebdruck. In: IVAM e.V. Fachverband für Mikrotechnik (Hrsg.): Inno-Magazin. Band 20, Nr. 62, 2015, S. 3–4.
  12. S. Vasic: 3-D Siebdruck revolutioniert additive Fertigung. In: Sonderdruck Technische Rundschau. Band 111, 2019.
  13. Fraunhofer IFAM. Abgerufen am 17. Juni 2020.
  14. Exentis Group AG. Abgerufen am 1. Januar 2020.