3D-Siebdruckverfahren

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Das 3D-Siebdruckverfahren (engl. 3D screen printing) ist ein binderbasiertes, generatives Formgebungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, das als Weiterentwicklung des am Anfang des 20. Jahrhunderts etablierten 2D-Siebdruckverfahrens zu sehen ist.[1]

Der 3D-Siebdruck ist einzuordnen in die Gruppe der additiven Fertigungsverfahren. Er erlaubt die Erzeugung von geschlossenen Hohlräumen sowie die Verwendung als Massenherstellungsverfahren mit Bauarten zwischen 20 und 300 cm³/h, abhängig von den Strukturen und Werkstoffen. Er darf daher nicht verwechselt werden mit einer Reihe von generativen Fertigungsverfahren wie dem Selektiven Laserschmelzen (SLM), dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) oder dem selektiven Lasersintern (SLS), die umgangssprachlich unter dem Namen 3D-Druck zusammengefasst werden. Der 3D-Siebdruck hat mit den oben genannten Verfahren gemein, dass die Bauteile Schicht für Schicht erzeugt werden. Jedoch beruht der Verfahrensansatz im Gegensatz zu den sogenannten 3D-Druck-Verfahren auf der Verwendung eines hochproduktiven Druckverfahrens, das in der Grafik-, Solar- und Leiterplattenindustrie breite Anwendung findet. Dabei wird eine pulverbasierte Suspension mit Hilfe einer Rakel durch eine feste Druckmaske (Sieb) auf ein Substrat übertragen und getrocknet. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Bauteilhöhe erreicht ist, und wird in einem abschließenden Prozessschritt gesintert.

Das Verfahren wurde 1993 patentiert und seit 2004 am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Dresden weiterentwickelt.[2][3]

Verfahrensablauf[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Ablauf des 3D-Siebdruckverfahrens kann in die vier folgenden Prozessschritte gegliedert werden:[4]

Siebherstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die schichtweise additive Herstellung der Bauelemente bedingt, dass für jedes Drucklayout eine separate Siebddruckmaske auf Grundlage von CAD-Daten hergestellt wird. Hierfür werden zumeist fotomechanische Verfahren eingesetzt. Die Druckform (Sieb) besteht aus einem Metall- oder Polymerdrahtgewebe, das mit einem lichtempfindlichen Polymer beschichtet und in einen Metallrahmen gespannt ist. Durch die gezielte Belichtung des Siebes, entsprechend der CAD-Daten des Layouts, wird die Polymerschicht lokal ausgehärtet. Nicht belichtete und ausgehärtete Bereiche werden ausgewaschen und es entsteht ein Negativ des Drucklayouts.[1] Dieser Prozessschritt entspricht im Wesentlichen der Siebherstellung beim klassischen 2D-Siebdruck.

Prozessschema des dreidimensionalen Siebdrucks[4]

Siebdruckprozess[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Druckmaterial werden pulverbasierte Suspensionen eingesetzt, die im Wesentlichen aus dem zu verarbeitenden Werkstoff, einem Bindermaterial, einem Lösemittel und einer Reihe von Additiven bestehen.

Das Sieb wird in einem definierten Abstand zum Drucksubstrat positioniert, und mit Hilfe einer Flutrakel werden die offenen Maschen des Siebes mit dem Druckmaterial gefüllt. Mit Hilfe einer Druckrakel wird das Druckmaterial vom Sieb auf das Drucksubstrat übertragen. In einem anschließenden Trockenprozess wird das Lösemittel aus der Paste entfernt. Je nach verwendeter Paste, den Siebeigenschaften und den Druckparametern lassen sich somit Strukturen mit hoher geometrischer Auflösung (<100 µm) und Schichtdicken im Bereich von 8 bis 40 µm erzeugen.[5] Der Druck- und Trockenprozess wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Bauteilhöhe erreicht ist. Die einzelnen Lagen können durch die Nutzung unterschiedlicher Siebe in einem Bauteil beliebig gestaltet werden. So können binderhaltige dreidimensionale Bauteile mit Höhen bis zu einigen Zentimetern hergestellt werden.[6]

Gesinterte Siebdruckteile

Entbinderung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach dem Siebdruckprozess besitzt das Bauteil zwar die gewünschte Form, jedoch müssen Binder und Additive, die das Pulvergerüst in Form gebracht haben, noch entfernt werden. Je nach verwendetem Bindersystem werden über eine thermische, katalytische oder Lösemittelentbinderung die überschüssigen Bestandteile zersetzt und entweichen rückstandslos aus dem porösen Pulverkörper, der folglich als Braunteil bezeichnet wird.[4]

Sinterung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Damit das Bauteil seine Eigenschaften erhält, wird es in einem letzten Schritt, der Sinterung, auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt, bei der die Struktur durch das Schließen der restlichen Poren verdichtet wird.[7]

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das 3D-Siebdruckverfahren bietet folgende Vorteile:

Hohe Materialvielfalt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es lassen sich prinzipiell alle Werkstoffe verarbeiten, die in Pulverform verfügbar sind und deren Sintertemperatur über der erforderlichen Temperatur zum Austreiben des Binders liegen. Es sind alle industriell relevanten Werkstoffe, wie etwa Legierungen auf Basis von Stahl, Nickel, Kupfer, Titan bis hin zu Keramiken, Gläsern und Hartmetallen, möglich.[8] Zusätzlich besteht die Möglichkeit, Mehrkomponentensysteme durch Kombinieren verschiedener Materialklassen wie Metalle und Keramiken herzustellen.

Überdruckte Kanalstruktur

Designfreiheit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine hohe Gestaltungsfreiheit beim Design der Bauteile erhält man durch optionale Siebwechsel. Es können komplexe geometrische Strukturen, wie Überhänge, Hinterschneidungen oder geschlossene Hohlräume, erzeugt werden, die mit konventionellen Methoden gar nicht oder nur sehr kostenintensiv herzustellen sind.[8] Im Gegensatz zu anderen pulverbasierten generativen Verfahren wird kein stützendes Pulverbett benötigt. Da für eine Designänderung in Druckrichtung ein neues Sieb benötigt wird, bleibt in der Praxis die Designfreiheit hinter anderen additiven Verfahren, wie Fused Deposition Modeling, SLM oder EBM, zurück.

Hohe Oberflächengüte und Präzision[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Vergleich zu anderen additiven Verfahren, wie dem Selektiven Laserschmelzen, können Bauteile mit höherer Oberflächengüte bei gleichzeitig hoher Präzision gefertigt werden. Grund hierfür ist, dass bei der Verarbeitung des Pulvers aus einer Suspension Pulver mit geringerem Durchmesser verwendet werden können. Durch die Verwendung feiner Pulver sind Bauteilauflösungen ab etwa 80 µm realisierbar.

Tauglichkeit für die Großserienproduktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als einziges additives Fertigungsverfahren weist das 3D-Siebdruckverfahren deutliche Skaleneffekte auf, das heißt, es ist besonders für die Herstellung komplexer miniaturisierter Bauteile in Großserie geeignet. Zum einen können aufgrund der großen Druckfläche viele Bauteile in einem Druckprozess parallel hergestellt werden. Zum Anderen besteht die Möglichkeit, eine effiziente Fertigung mit hohem Durchsatz durch die Automatisierung der Druck-, Trocken- und Sinterprozesse umzusetzen.[8]

Anwendungsfelder[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b H. Kipphan, Handbuch der Printmedien: Technologien und Produktionsverfahren, Springer Verlag, Berlin, 2001, ISBN 978-3-540-67326-2
  2. O. Andersen, T. Studnitzky, J. Bauer: Direct typing - a new method for the production of cellular P/M parts; Proceedings, PM2004 Powder Metallurgy World Congress, Wien, Österreich, 4 (2004), 189–194
  3. T. Studnitzky, A. Strauß, P. Helm, J. Wartmann: Optimizing Fuel Cell Parts by Using 3D Screen Printed Metals, Proceedings, Conference on Materials for Energy, Karlsruhe, Vol. A, pp 143–145 (2010).
  4. a b c M. Jurisch, T. Studnitzky, O. Andersen, B. Kieback: 3D-Siebdruck – Vorreiter für die flexible generative Fertigung; Ingenieur Werkstoffe (2013).
  5. M. Hambsch, K. Reuter, M. Stanel, G. Schmidt, H. Kempa, U. Fügmann, U. Hahn, A.C. Hübler: Uniformity of fully gravure printed organic field-effect transistors. Materials Science and Engineering: B, Volume 170, Issues 1–3, pp. 93–98, (2010).
  6. 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; Energie- und materialsparende Produktionstechniken. Internationaler ETG-Kongress 2013 – Energieversorgung auf dem Weg nach 2050, Berlin (2013).
  7. W. Schatt, K. Wieters, B. Kieback: Pulvermetallurgie - Technologien und Werkstoffe, 2. Auflage, Springer Verlag, ISBN 978-3-540-23652-8
  8. a b c T.Studnitzky, A. Strauß: Präzisionsbauteile durch Siebdruck hoch drei; Industrieanzeiger 2011[9] 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 Kolaska, H. ; Fachverband Pulvermetallurgie -FPM-: Formgebung: Chancen der Pulvermetallurgie : Vorträge und Ausstellerbeiträge des Hagener Symposiums am 25. und 26. November 2010 in Hagen; Hagen : Heimdall, 2010, S.223–245 (Pulvermeta)