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Leistungsstarke Verfahren zur additiven Fertigung wie der 3D Druck und das Selektive Lasersintern basieren auf dem Schichtauftrag eines fließfähigen Pulvers. Bei keramischen Pulvern ist eine gute Fließfähigkeit ab einer Partikelgröße von ca. 40 µm gegeben. Bei Pulvern mit zu feinen Partikeln sind die adhäsiven Kräfte zwischen den Partikeln vergleichbar groß wie die Kräfte, die durch die Gravitation auf die Partikel wirken, was einem gleichmäßigen Fließen des Pulvers und somit einem gleichmäßigen Schichtaufbau entgegensteht. Die Verwendung von feineren Pulvern hat jedoch Vorteile, wie z.B. eine bessere Sinteraktivität.
Neben der nötigen minimalen Partikelgröße besteht für keramische Werkstoffe ein wesentliches Problem der pulverbasierten Verfahren in der Tatsache, dass das Pulverbett, also das durch Schichtauftrag gestapelte Pulver, eine zu geringe Dichte besitzt. Dies bringt grundsätzlich zwei Nachteile mit sich: zum einen verhindert eine zu geringe Packungsdichte des Pulvers den Aufbau kompakter Grünkörper und letztlich deren Sinterung zu einer dichten Keramik, zum anderen wird im Aufbauprozess das Bauteil durch das Pulverbett nicht ausreichend gestützt. Beim Auftragen einer neuen Pulverschicht kann die bereits verfestigte Struktur im Pulverbett verschoben werden, was zu Defekten in der Struktur bis hin zum vollständigen Verlust der Struktur führt. Aus diesem Grunde ist neben dem Aufbau des zu fertigenden Bauteils u.U. der Aufbau von zusätzlich sogenannten Supportstrukturen gefordert. Diese Supportstrukturen verankern das Bauteil mit der Bauplattform und fixieren es somit im Koordinatensystem des Bauraums der Anlage. Das Entfernen der Supportstrukturen erfordert nach dem eigentlichen additiven Fertigungsprozess einen zusätzlichen Prozessschritt, der zeitaufwendig und kaum zu automatisieren ist, und daher einer autonomen Fertigung, wie sie durch die Additive Fertigung realisiert werden kann, entgegensteht.
Es werden unterschiedliche Strategien für die Stabilisierung des Pulverbetts und zur Erzielung einer hohen Packungsdichte der Partikel im Pulverbett aufgezeigt. Neben der Lagenweise SchlickerDeposition (LSD) werden Ergebnisse zur Gas Flow Assisted Powder Deposition vorgestellt.
Additive manufacturing (AM) is a technology which has the potential not only to change the way of conventional industrial manufacturing processes, adding material instead of subtracting, but also to create entirely new production and business strategies. Since about three decades, AM technologies have been used to fabricate prototypes or models mostly from polymeric or metallic materials. Recently, products have been introduced into the market that cannot be produced in another way than additively. Ceramic materials are, however, not easy to process by AM technologies, as their processing requirements (in terms of feedstock and/or sintering) are very challenging. On the other hand, it can be expected that AM technologies, once successful, will have an extraordinary impact on the industrial production of ceramic components and, moreover, will open for ceramics new uses and new markets.
Selective laser sintering of ceramic powders is a promising technique for the additive manufacturing of complex- and delicate-shaped ceramic parts. Most techniques have in common that the powder to be sintered is spread to a thin layer as a dry powder by means of a roller or shaker system. These layers have a relatively low density. On the other hand, appreciable densities can be reached with the use of ceramic slurries as the starting material. Therefore, the layer-wise slurry deposition (LSD) process has been developed. Layer stacks, i.e. powder beds, built up by employing the LSD technology exhibit a density comparable to ceramic powder compacts processed by means of conventional forming technologies. Writing the layer information with a focused laser beam in these dense ceramic powder compacts enables the manufacture of ceramic bodies with a high density and precision in contour.