Formlabs entwickelte Alumina 4N Resin mit dem Ziel, den Bedarf an einem Prozess zum 3D-Druck technischer Keramik zu decken, der nicht unerschwinglich teuer und kompliziert ist. Zuvor war Keramik für den 3D-Druck häufig nur in Systemen ab 220 000 € verfügbar und ging mit komplexen Arbeitsprozessen einher, die ein Hindernis für die zuverlässige, konsistente und erschwingliche Herstellung 3D-gedruckter Keramikteile darstellten.

Alumina 4N Resin löst dieses Problem, indem es die materialwissenschaftlichen und ingenieurtechnischen Vorteile technischer Keramik mit der Benutzerfreundlichkeit, Einheitlichkeit und Erschwinglichkeit der 3D-Drucker von Formlabs vereint.

Alumina 4N Resin kann wie jede technische Keramik in Anwendungen eingesetzt werden, die extreme Hitze-, Chemikalien- oder elektrische Beständigkeit erfordern. Keramik wird zwar in diesen Anwendungen fast immer verwendet, aber 3D-gedruckte Keramik konnte in der Regel nicht mit den mechanischen Eigenschaften traditionell hergestellter Keramikteile mithalten. Alumina 4N Resin mit einer Reinheit von 99,99 % erreicht die für hochkomplexe Anwendungen erforderliche Wärme- und Chemikalienbeständigkeit.

Zwar existieren nach wie vor viele Anwendungsfälle, in denen traditionell gefertigte Keramik kosteneffizienter ist, doch der 3D-Druck von Keramikmaterialien wie Alumina 4N Resin bietet dann einen Vorteil, wenn komplexe Geometrien, iterative Designänderungen oder maßgefertigte Teile gefordert sind.

Der intuitive Arbeitsprozess der SLA-Drucker von Formlabs in Kombination mit Alumina 4N Resin öffnet die Tür zu einer vollkommen neuen Produktionsmethode für hochleistungsfähige Keramikkomponenten, wofür bisher kostspielige Vertragshersteller oder 100-mal teurere (eigens dafür bestimmte) Keramik-3D-Drucker mit komplexen Arbeitsabläufen notwendig waren.

1. 3D-Druck: Alumina 4N Resin kann auf den Druckern des Typs Form 4 und Form 3/+ bei einer Schichthöhe von 50 µm gedruckt werden. Aufgrund der hohen Festigkeit der Grünteile ist ein dünnes Ablösewerkzeug wie eine Rasierklinge erforderlich, um sie von der Stainless Steel Build Platform zu entfernen.
2. Waschen: Verwenden Sie nach dem Ablösen der Druckteile von der Konstruktionsplattform die obligatorische Ceramic Wash Solution zur Reinigung der Teile, wie auch für das Entfernen (Nassschleifen) der Stützstrukturen. Das Lösungsmittel kann in den Behältern des Finish Kits oder im Form Wash verwendet werden. So funktioniert das Nassschleifen eines Teils: 
   1. Verwenden Sie Schleifpapier der Körnung 80 für grobe Schleifarbeiten.
   2. Verwenden Sie Schleifpapier der Körnung 320 für allgemeine Schleifarbeiten.
   3. Verwenden Sie Schleifpapier der Körnung 1000 für feine Schleifarbeiten.
3. Trocknen: Überschüssiges Lösungsmittel sollte mit Druckluft entfernt werden. Anschließend werden die Teile über Nacht trocknen gelassen oder bei Zeitmangel in einem Ofen getrocknet. Vollständige Anweisungen zum Waschen und Trocknen finden Sie in der Schnellstarthilfe zu Alumina 4N Resin.
4. Entbindern und Sintern: Überführen Sie die Teile in den Entbinderungsofen und sintern Sie sie im Ofen als abschließenden Schritt. Um optimale Materialeigenschaften zu erreichen, befolgen Sie die hier vorgegebenen Anweisungen zur Brennkurve genau.

Wie andere Keramikmaterialien wird Aluminiumoxid bei extrem hohen Temperaturen eingesetzt, die häufig den Schmelzpunkt der meisten Metalle überschreiten, einschließlich sämtlicher Stahl- und sogar Nickellegierungen. Es ist unabdinglich, das Verhalten des Materials bei derartigen Temperaturen zu verstehen, da dies über Erfolg oder Misserfolg eines Teils entscheidet.

Der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid liegt bei über 2000 °C, doch schon vor diesem Punkt beginnt das Material durchzuhängen und an Festigkeit einzubüßen. Das technische Datenblatt von Formlabs empfiehlt eine maximale Betriebstemperatur von 1500 °C. Im folgenden Versuch möchten wir jedoch demonstrieren, dass es je nach Anwendung auch weitaus höheren Temperaturen standhält.

Tests bei hohen Temperaturen sind bekanntermaßen schwierig und erfordern oft eine teure Ausrüstung, um verwertbare Ergebnisse zu erzielen. Durchhangtests sind jedoch recht einfach und können verwendet werden, um ein grundlegendes Verständnis dafür zu bekommen, wie sich das Material bei hohen Temperaturen verhält.

Die für diese Tests verwendeten Prüfkörper wurden in der oben abgebildeten Größe gedruckt und bewusst extrem dünn gestaltet, damit sie eine möglichst hohe Verformung aufweisen, während bei dickeren Prüfkörpern vermutlich nahezu keine Verformung feststellbar wäre. Der Test beinhaltet, wie unten illustriert, einen dünnen Prüfkörper, der bei einer Stützweite von 90 mm über zwei dreieckige Stützen auf jeder Seite gelegt wird. Dabei ragt das Teil etwas über, um sicherzustellen, dass es bei hohen Temperaturen nicht von den Stützen abrutscht.

Der Prüfkörper wurde vor und nach dem Brennen gemessen. Er wurde so platziert, dass eventuelle Verformungen vor dem Test nach unten zeigten, um sicherzustellen, dass nur die Schwerkraft das Durchhängen beeinflusste. All dies wurde mit einem Granittisch und einem Höhenmessgerät gemessen, wobei die Höhe des Prüfkörpers an den beiden Enden und die maximale Durchhängung durch die Ermittlung der Höhe, die gerade noch unter dem Höhenmessgerät hindurchpasste, bestimmt wurden.

Alle Proben wurden zunächst wie üblich durch den empfohlenen Brennzyklus für zwei Öfen gebrannt. Dann folgte der Durchhangtest einem einheitlichen Prozess, bei dem mit 5 °C/min auf 400 °C unter der Zieltemperatur und dann mit 2 °C/min auf die Zieltemperatur erhitzt wurde, wobei die Temperatur 2 Stunden lang gehalten wurde. Die Versionen dieses Brennvorgangs für 1600 °C und 1200 °C sind im folgenden Diagramm dargestellt.

Der Test wurde bis zu einer Temperatur von 1700 °C durchgeführt. Die Ergebnisse sehen Sie im folgenden Diagramm. Die Wiederholung des Tests bei bestimmten Temperaturen ergab sehr ähnliche Ergebnisse mit fast keinen statistisch signifikanten Abweichungen. 

Absolute Abstandsänderungen sind jedoch nicht unbedingt die repräsentativsten Datenpunkte. Eine repräsentativere Messung kann durch die Konstruktion eines Winkels zwischen den Stützpunkten und dem durchhängenden Bereich vorgenommen werden. Das hat außerdem den Vorteil, dass eine solche Messung in etwas mehr Situationen anwenden kann. Der Winkel ist unten abgebildet, ebenso wie die tatsächlichen Ergebnisse.

Die Prüfung von Alumina 4N Resin bei hohen Temperaturen hat gezeigt, dass es extrem widerstandsfähig gegenüber Verformung ist. Das 2,6 mm hohe Teil wies bei 1600 °C weniger als 1° Durchhang auf, obwohl die ungestützte Spanne über 30-mal länger war als die Höhe des Prüfkörpers.

Für Teile, die unter extremen Temperaturbedingungen eingesetzt werden, ist Alumina 4N Resin perfekt geeignet. Bei „niedrigen“ Temperaturen von unter 1400 °C weist es keinerlei Durchhang oder Verformung auf. Kombiniert mit den sonstigen Eigenschaften von Alumina 4N Resin, beispielsweise seiner extremen elektrischen und chemischen Beständigkeit sowie geringen Permeabilität, macht dies das Material zur idealen Wahl für zahlreiche Anwendungen im Maschinenbau, für welche der 3D-Druck zuvor ausgeschlossen war.

Um die Eignung von Alumina 4N Resin für Ihren Anwendungsfall zu prüfen, kontaktieren Sie unser Expertenteam.