3D-printen met technisch keramiek

alumina 3d printing
Share on linkedin
Share on facebook
Share on google
Share on email

Bij het woord keramiek is waarschijnlijk het eerste dat in je opkomt het traditionele aardewerkkeramiek, waar potten van worden gemaakt van klei en zand, gemengd met vloeistof (meestal water). Of we kunnen denken aan porselein, wat ook een soort keramiek is, en onder meer wordt gebruikt als elektrische isolator.
Maar de keramiek familie is sindsdien uitgebreid met verschillende keramische composieten voor gebruik voor veel complexere technologische toepassingen.

Deze moderne industriële keramiek kan zo hard zijn als het hardste metaal, of poreus voor  gebruik in membraan – en filtertechnologie. Of dienst doen als supergeleider.

Al deze materialen samen worden ook wel geavanceerde, industriële of technische keramiek genoemd.
Het is speciaal keramiek dat wordt gebruikt voor een breed scala aan gespecialiseerde toepassingen in verschillende industrieën. Van automobiel, luchtvaart, ruimtevaart, elektronica, energie tot het biomedische veld.

Oxides en niet-oxides keramiek

Binnen deze klasse van keramiek onderscheiden we twee hoofdgroepen: de oxiden en niet-oxiden. Daarnaast zijn er nog  verschillende soorten composieten.

De eerste groep bestaat uit de metaaloxiden alumina, zirconia en silica. De andere groep, de niet-oxidekeramiek, bestaat uit onder meer siliciumcarbide, siliciumboride en siliciumnitride.

Wat deze technische keramiek tot een interessante materiaalgroep voor industriële toepassingen maakt, is dat ze superieure mechanische, elektrische, thermische, biologische en chemische eigenschappen hebben in vergelijking met de meeste metalen en polymeren.

Deze eigenschappen zijn: hoge sterkte, hoge dimensionele stabiliteit (lage thermische uitzettingscoëfficiënt), lage dichtheid, hoge weerstand tegen slijtage en corrosie en uitzonderlijke chemische stabiliteit evenals hittebestendigheid.
Laten we sommige van deze keramiek van naderbij bekijken, aangezien elk materiaal zijn eigen specifieke kenmerken en sterke punten heeft.

Benieuwd naar de kosten van 3D printen met technisch keramiek?

Upload uw bestanden om prijzen en levertijden te krijgen. Het is gratis en makkelijk.

Oxiden

In deze groep worden oxidevezels aan het keramische mengsel toegevoegd om extra sterkte  te geven en het uiteindelijke product bestand te maken tegen oxidatie.

Alumina

Aluminiumoxide (aluminiumoxide) is het meest gebruikte technische keramiek, het is ook het meest kosteneffectieve (goedkoopste) materiaal van deze klasse. Alumina heeft vele uitstekende eigenschappen waarvan de belangrijkste zijn: hoge hardheid (bijna driemaal de hardheid van roestvrij staal) en goede corrosie- en temperatuurbestendigheid.
Componenten gemaakt van aluminiumoxide zijn elektrisch isolerend en prikbestendig en daarom geschikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals substraten in de elektronica-industrie.

alumina 3d printing

ALumina

Zirkonia

Zirkonia (zirkoniumdioxide) is gebaseerd op zirkonium, een metaalachtig element. De belangrijkste kenmerken van Zirconia zijn: laag warmtegeleidingsvermogen met uitstekende thermische isolatie en zeer hoge weerstand tegen voortplanting van scheuren.
Zirkonia biedt een zeer goed compromis tussen hardheid en taaiheid, wat ze erg handig maakt voor een breed scala aan toepassingen. Zirkonia-keramiek is minder broos dan andere keramiek. Je kunt er bijvoorbeeld keramische messen mee maken.
Je vindt zirkoniumoxide ook in tandheelkundige toepassingen zoals tandprothesen en andere medische apparaten.

Ook verkrijgbaar zijn composieten of variaties op deze materialen, bijvoorbeeld:

Alumina, gehard zirkonium: uitstekende biocompatibiliteit en weerstand tegen slijtage en thermische schokken, aanbevolen voor biomedische en industriële toepassingen.

zirconia 3d printing

Zirkoniumoxide

Silica

Silica (SiO2) staat bekend om zijn thermische schokbestendigheid en uitloogbaarheid (chemische oplossing). Om deze redenen wordt het vaak gebruikt voor de productie van schelpen en kernen in investeringsgietwerk voor ruimtevaart- en energietoepassingen.

En op silicium gebaseerde materialen voor gietkernen die worden gebruikt voor de productie van gietkernen voor investeringsgieten.

Silica

Keramiek zonder oxide

Niet-oxidekeramiek presteert beter in extreme omgevingen, bijvoorbeeld bij hoge temperaturen, dan oxidekeramiek. Siliciumcarbide en siliciumnitride, twee veelgebruikte niet-oxidekeramieken zijn bijvoorbeeld bestand tegen temperaturen tot 2400 graden Celsius.

Bovendien vertonen ze een hoge weerstand tegen corrosie, hardheid en oxidatie.

Silicium carbide

Siliciumcarbide is hard (vier keer harder dan roestvrij staal) en wanneer silicium geïnfiltreerd is siliciumcarbide een van ‘s werelds hardste metalen. Het is veel lichter en harder dan ander keramiek en bestand tegen zuren. Siliciumcarbide is het meest corrosiebestendige keramiek. Het wordt gebruikt in mechanische afdichtingen en pomponderdelen, auto-remmen, auto-koppelingen en keramische platen in kogelvrije vesten zijn gemaakt van dit materiaal.

Boorcarbide

Boorcarbide is bijzonder interessant in toepassingen bij hoge temperaturen vanwege het extreem hoge smeltpunt (> 3000 ° C), hoge oxidatieweerstand en hoge thermische en elektrische geleidbaarheid. Dit materiaal kan een goede kandidaat zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals vuurvaste bekledingen, elektroden, micro-elektronische apparaten en snijgereedschappen, evenals toepassingen voor militair en defensiegebruik zoals tankbepantsering, kogelvrije vesten enz.

Aluminiumnitride

De hoge mechanische eigenschappen van dit keramiek, gecombineerd met een hoge thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie, worden sterk aanbevolen in de elektronica-industrie.

Siliciumnitride

De Silicon Nitride behoort tot de hardste en meest resistente technische keramiek. Het vertoont een zeer lage dichtheid, een hoge breuktaaiheid, goede buigsterkte en uitstekende thermische schokbestendigheid. De toepassing vindt onder meer plaats in de componenten van pompen en kleppen, halfgeleiders.

Technische keramiek in ruimtevaart en medische toepassingen

Zoals we hebben gezien, wordt technisch keramiek in verschillende industrieën gebruikt, in de chemie, voor machines, elektronica, halfgeleiders, maar ook in de lucht- en ruimtevaart en biomedische sectoren.

De laatste twee industrieën zijn vooral interessant voor het gebruik van deze geavanceerde keramiek, vanwege hun uitstekende eigenschappen die in deze industrieën worden gezocht, houdt de lucht- en ruimtevaartindustrie van lichtgewicht, harde, hittebestendige materialen, terwijl de biocompatibiliteit, chemische inertheid en corrosiebestendigheid zijn gunstig voor medische toepassingen.

Voor medische toepassingen zoals heup-, knie- en tandheelkundige implantaten wordt keramiek serieus beschouwd als alternatief voor metalen zoals titanium vanwege de superieure chemische inertheid van het materiaal.

Maar het kan even duren voordat dit werkelijkheid wordt.
Omdat beide industrieën sterk gereguleerd zijn en onderdelen aan hoge veiligheidsnormen moeten voldoen. Het behalen en behalen van certificering en kwalificatie kan een uitdaging zijn.

3D-printen met technisch keramiek

Nadat we de verschillende materialen kort hebben besproken, gaan we nu kijken naar de 3D-printmethoden die beschikbaar en ontwikkeld zijn om onderdelen met technisch keramiek te vervaardigen.

Technisch keramiek is moeilijk te vormen met traditionele fabricagetechnieken. Bewerking van keramische componenten is extreem moeilijk vanwege hun hardheid en broosheid, dit geldt vooral voor grotere onderdelen. Bovendien kan het ook een uitdaging zijn om een ​​complex en gedetailleerd onderdeel met keramiek te maken.

3D-printing kan daarom de methode zijn om het gebied van de keramische fabricage vooruit te helpen. Met behulp van additieve productie is het mogelijk om onderdelen te produceren met zeer complexe geometrieën die men niet kan maken met traditionele bewerkings- of vormtechnieken.

Keramiek kan 3D-geprint worden met een verscheidenheid aan 3D-printprocessen, van stereolithografie tot ‘selective laser sintering’ (SLS) tot productie van gelamineerde objecten. Keramische grondstoffen zijn verkrijgbaar in verschillende vormen, zoals vereist voor elk van deze processen.

3D-printprocessen voor keramiek

Keramische pasta voor stereolithografie

Stereolithografie (SLA) gebruikt keramische slurrie of pasta als grondstof.
De keramische slurrie is een mengsel van lichtgevoelige harsen en een vaste lading keramisch poeder.
Keramische componenten worden opgebouwd door opeenvolgende lagen met behulp van een laser die een pasta polymeriseert die bestaat uit lichtgevoelige hars en keramiek.
De onderdelen worden vervolgens onderworpen aan een warmtebehandeling die de hars verwijdert (ontbinding) en het keramiek verdicht (door te sinteren).

Keramische pasta’s of slurries kunnen ook worden geprint worden met gerelateerde technologieën zoals Direct Light Printing (DLP) en Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) -technologie.

Keramisch poeder voor SLS

Dan hebben we keramisch poeder voor Selective Laser Sintering (SLS) en Selective Laser Melting (SLM)

Keramisch filament voor LOM en FDM

En keramiek in vaste vorm voor methoden zoals laminated object manufacturing (LOM) en Fused Deposition Modeling (FDM), de laatste met keramische filamenten van gebonden poeder in een thermoplastische matrix.

Van deze processen worden het meest gebruik gemaakt van stereolithografie of gerelateerde fotopolymerisatietechnieken zoals DLP. Met deze methode kan een mooie oppervlakteafwerking worden bereikt.
De hoge smeltpunten van keramiek kunnen het printen met SLS of SLM een uitdaging maken.
Merk ook op dat SLA- en DLP-machines veel goedkoper zijn dan SLM-systemen.

Beamler biedt SLA-, DLP- en LCM-technologie op zijn platform.

Conclusie

Technisch keramiek is een geweldig materiaal voor toepassingen die hardheid en een hoge hittebestendigheid vereisen. Deze materialen zijn moeilijk te vormen volgens traditionele methoden. 3D-printing kan de aanzet zijn tot een breder gebruik van keramische materialen in de industrie.

Make the switch to Additive Manufacturing

Find out how your business can benefit from AM. Beamler helps you identifying what parts you should be manufacturing with 3D printing.

Get the latest 3D printing news​

About Beamler

We help manufacturers unlock the full potential of industrial 3D printing.

Trusted by engineers in some of the largest multinationals, Beamler offers 24/7 access to the massive production capacity that only a global network of dedicated manufacturing partners can provide.