3D-Druck-Premiere: KIT bricht die Grenze zwischen Keramik und Metall
Multimaterial-3D-Druck am KIT: Neues Bindersystem verbindet Keramik und Metall in einem Schritt. Ideal für Elektronik & Sensorik.
Mit CeraMMAM lassen sich Hochleistungskomponenten aus verschiedenen Materialien in einem einzigen Prozess herstellen.
Foto: Breig, KIT
Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein universelles Bindersystem entwickelt, das den 3D-Druck unterschiedlicher Materialien wie Keramik und Metall in einem Schritt ermöglicht. Durch das kombinierte Verfahren entstehen Hochleistungskomponenten mit gezielt eingestellten Eigenschaften, etwa für die Elektronik oder Medizintechnik. Das spart Montageaufwand und eröffnet völlig neue Designmöglichkeiten ohne aufwendige Nachbearbeitung.
Inhaltsverzeichnis
Ein Binder für alle Fälle
Komplexe Geometrien sind für die additive Fertigung längst Standard. Schwieriger wird es jedoch, wenn in einem einzigen Bauteil mehrere Werkstoffe zusammenkommen. Genau an diesem Punkt setzt das Team an. Im Projekt „CeraMMAM“ entwickelten die Fachleute ein Verfahren, mit dem sich Hochleistungskomponenten aus unterschiedlichen Materialien in einem einzigen Prozessschritt herstellen lassen.
Im Zentrum des Verfahrens steht ein universelles Bindersystem. Genau hier lag bisher eine der größten Hürden: Unterschiedliche Materialien verhalten sich bei der späteren Wärmebehandlung nicht gleich. Sie schrumpfen verschieden stark und bauen Spannungen auf. Im schlimmsten Fall entstehen Risse oder die Schichten lösen sich voneinander.
Badbasierte Photopolymerisation als Ansatz
Die Forschenden am wbk Institut für Produktionstechnik des KIT nutzen für ihren Ansatz die badbasierte Photopolymerisation (VPP). Dabei befindet sich ein lichtempfindliches Harz in einem Behälter und wird mit feinen Keramik- oder Metallpulvern versetzt. Es entsteht eine viskose Suspension, der sogenannte Schlicker. Ein Lichtstrahl härtet das Material gezielt Schicht für Schicht aus.
Das neu entwickelte Bindersystem stabilisiert die Partikel während des gesamten Aufbaus. So bleiben unterschiedliche Materialien auch dann stabil verbunden, wenn sie im laufenden Druckprozess gewechselt werden. Nach dem Druck folgt eine mehrstufige Wärmebehandlung. Zunächst entfernen die Fachleute den organischen Binder (Entbindern). Anschließend verdichten sie das Bauteil beim Sintern. Erst dabei entstehen die endgültigen mechanischen und thermischen Eigenschaften.
Widersprüchliche Eigenschaften in einem Bauteil
Erst die Kombination verschiedener Werkstoffe macht Bauteile möglich, die mehrere Aufgaben zugleich übernehmen.
„Mithilfe unseres universellen Binders können wir multimateriale Bauteile herstellen, die neuartige und teilweise auch widersprüchliche Materialeigenschaften kombinieren“, erklärt Chantal-Liv Lehmann vom wbk. „Das ermöglicht völlig neue, bisher nicht realisierbare Designmöglichkeiten und Funktionskonzepte. So können wir beispielsweise Komponenten wie keramische Zahnräder fertigen, die im Inneren flexibel und an der Oberfläche besonders hart sind.“
Im 3D-Druck geht es damit nicht mehr nur um die äußere Form. Entscheidend wird zunehmend, welche Funktionen sich direkt in das Bauteil integrieren lassen.
Von der Keramik zum Metall-Hybrid
Derzeit konzentriert sich das Team auf die Kombination verschiedener Keramiken wie Aluminium- und Zirkonoxid. Diese Werkstoffe lassen sich gut gemeinsam verarbeiten, weil sie sich beim Sintern ähnlich verhalten. Die logische Konsequenz: Keramik und Metall sollen künftig direkt in einem Bauteil kombiniert werden.
Erste Versuche mit Kupferpartikeln bestätigen das Potenzial. Besonders interessant ist die Verbindung von isolierender Keramik mit leitfähigen Metallstrukturen. Daraus könnten Bauteile für ganz unterschiedliche Bereiche entstehen:
- Leistungselektronik: Substrate, die Isolation und Stromführung kombinieren.
- Kommunikationstechnik: Komponenten für 5G- und 6G-Systeme.
- Sensorik: Integrierte, miniaturisierte Sensorsysteme für IoT-Anwendungen.
- Automobilität: Kompakte Bauteile für Fahrerassistenz und autonomes Fahren.
Ein konkretes Beispiel: Substrate in der Leistungselektronik könnten gleichzeitig die elektrische Isolation und die Leitfähigkeit übernehmen – ohne zusätzliche Bauteile oder Kontakte.
Präzision ohne Nacharbeit
Die Technik erlaubt eine hohe Detailtreue. Die laterale Auflösung liegt bei 40 × 40 μm – das entspricht etwa dem Durchmesser eines menschlichen Haars. Selbst feinste Strukturen lassen sich so sauber abbilden. Für die Praxis ist zudem entscheidend: Nach dem Sintern ist in der Regel keine mechanische Nachbearbeitung nötig. Fräsen oder Drehen entfallen. Die Bauteile sind maßhaltig und besitzen bereits glatte Oberflächen.
Aktuell eignet sich das Verfahren vor allem für kleinere Bauteile. Typische Abmessungen liegen bei bis zu 40 × 70 mm in der Fläche und 170 mm in der Höhe. Damit zielt das KIT vor allem auf Prototypen und Kleinserien ab. Da sich mehrere Bauteile parallel drucken und thermisch behandeln lassen, bleibt der Prozess skalierbar.
Mehr Funktion, weniger Aufwand
Das Verfahren spart nicht nur Prozessschritte, es verändert auch die Konstruktion an sich. Mehrere Funktionen lassen sich direkt in ein einziges Bauteil integrieren. Separate Komponenten und Verbindungen entfallen.
Das reduziert den Montageaufwand und beseitigt potenzielle Schwachstellen. Gleichzeitig können Lieferketten einfacher werden, da Unternehmen weniger Einzelteile benötigen. Gerade bei komplexen Hochleistungsbauteilen macht das einen spürbaren Unterschied.
Premiere auf der Hannover Messe
Das KIT zeigt die Ergebnisse des Projekts CeraMMAM (Ceramic Multi Material Additive Manufacturing) vom 20. bis 24. April 2026 auf der Hannover Messe. Am Stand B06 in Halle 11 sind erste Demonstratoren zu sehen. Sie verdeutlichen den Trend: Im 3D-Druck geht es künftig darum, unterschiedliche Materialeigenschaften direkt im Bauteil zu vereinen – in einem einzigen Fertigungsschritt.
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