Werkstoffklassenübergreifende Bauteilfertigung in einem Schritt mit Amarea MMJ-Technologie

Der Multi-Material 3D-Drucker bietet eine Bauraumgröße von 530 x 300 x 200 mm. Bis zu sechs Werkstoffe können gleichzeitig verarbeitet werden.

Steven Weingarten
Co-Founder und CEO der Amarea Technology GmbH

„Der Multi-Material 3D-Druck, vor allem mit Hochleistungswerkstoffen wie technischen Keramiken und Metallen, verleiht der Additiven Fertigung einen erneuten Innovationsschub, indem er die Herstellung komplexer, funktionsintegrierter Bauteile ermöglicht, die bislang mit traditionellen Methoden nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar waren. Für die Industrie bedeutet dies eine signifikante Erweiterung der Anwendungsbereiche, eine Reduzierung von Montageprozessen und eine Optimierung der Materialeigenschaften, was letztlich zu effizienteren und leistungsfähigeren Produkten führt.“

In einer Welt, die nach immer komplexeren und leistungsfähigeren Produkten verlangt, stößt der traditionelle 3D-Druck an seine Grenzen. Monomaterial-Bauteile können oft nicht die Anforderungen an Funktionalität und Vielseitigkeit erfüllen, die moderne Anwendungen im Hightech-Bereich und in harschen Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt oder der Mikroelektronik stellen. Hier setzt das Start-up Amarea Technology an. Das Anfang 2023 in Dresden, Deutschland, gegründete Unternehmen hat sich auf die Entwicklung und Herstellung von 3D-Druckern der nächsten Generation spezialisiert.

3D-Drucker mit dem MMJ-Verfahren von Amarea Technology finden Einsatz in einer Vielzahl von Branchen, von der Elektronik und Halbleiterindustrie über die Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau, der Medizintechnik, der Verpackungsindustrie bis hin zum Werkzeug- und Formenbau.

Fokus Multi-Material 3D-Druck

Im Gegensatz zu herkömmlichen 3D-Druckern, die in der Regel nur ein Material oder gar Werkstoff verwenden, ermöglichen die Amarea Technology 3D-Drucker die Verarbeitung von mehreren Materialien, auch unterschiedlicher Werkstoffe, gleichzeitig. Die Fertigungstechnologie ist in der Lage, werkstoffklassenübergreifend und unabhängig von den physikalischen Eigenschaften wie der äußeren Erscheinung und Farbe zu arbeiten. Das heißt, Bauteile mit integrierten unterschiedlichen Eigenschaften, wie elektrisch isolierend und elektrisch leitend, hart und duktil, dicht und porös, können in einem einzigen Druckvorgang hergestellt werden. Dabei können die eingesetzten Materialien zum Beispiel aus technischer Keramik, Metall, Hartmetall, Glas einem Verbundwerkstoff oder Polymer sein.

Die durch die Gründer am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelte Multi Material Jetting-Technologie (MMJ), die über ein vom Deutschen Bundesministerium für Wirtschaft und Klima BMWK gefördertes EXIST-Forschungstransferprogramm die Kommerzialisierung der Technologie vorantrieb, ermöglicht die Herstellung solcher Multi-Material-Bauteile. MMJ geht dabei weit über die Möglichkeiten herkömmlicher Fertigungsverfahren hinaus. Die 3D-Drucker mit der MMJ-Technologie ermöglichen es, ressourcenschonend verschiedene Materialien aus verschiedenen Werkstoffklassen Schicht für Schicht präzise aufzutragen und so Bauteile mit funktionalen Gradienten zu erzeugen. Das bedeutet, dass sich die Eigenschaften innerhalb eines Bauteils in einer Lage und von Schicht zu Schicht ändern können und das Material nur dort abgelegt wird, wo es benötigt wird.

Integrierte Heizungssysteme – Multi-Material Additive Manufacturing ermöglicht die Integration von Heizleitern in komplexe Bauteile, um z. B. eine präzise Temperaturverteilung an relevanten Bauteilbereichen zu gewährleisten.

Die MMJ-Technologie

Dies gelingt durch eine tropfenweise Materialablage von thermoplastischem Material. Die einzelnen Tropfen sind dabei mit Partikeln gefüllt, aus denen letztendlich das Bauteil mit den gewünschten Eigenschaften nach einer abschließenden thermischen Behandlung entsteht. Die thermoplastischen Druckmaterialien stellt Amare Technology dabei selbst her, denn erst das richtige Bindersystem ermöglicht den Einsatz der MMJ-Technologie über alle Materialklassen hinweg. Amarea vereint dabei Werkstoff- mit Maschinenbauexpertise, denn die genaue Positionierung der Tropfen in sehr kleinen Volumen, typisch sind Tropfenvolumen von 5 bis 40 nl (Nanoliter) – zum Vergleich, das Volumen einer Träne beträgt etwa 6.000 bis 7.000 nl, mit einer gezielten Überlappung der einzelnen Tröpfchen, bedurfte mehrere Jahre der Entwicklung am Fraunhofer IKTS, bis die Technologie für die Kommerzialisierung gereift war. Dadurch können Bauteile mit feineren Strukturen gefertigt werden als dies mit Verfahren wie Fused Filament Fabrication (FFF) der Fall ist, bei dem das zu verarbeitende Material als Filament mit einem typischen Durchmesser von 1,75 mm vorgehalten wird. MMJ ermöglicht die präzise Ablage einzelner Tropfen bei einer recht hohen Geschwindigkeit von bis zu 25 cm³/h Materialablage pro Druckkopf. Zukünftig kann ein integrierter Faserlaser die Oberflächengüte der zu druckenden Bauteile noch weiter verbessern oder gar modifizieren, wenn es zum Beispiel zur Oberflächenvergrößerung, wie bei Wärmetauschern gewünscht, kommen soll. Gleichzeitig gelingt es mit den MMJ 3D-Druckern auch, dass Kleinstmengen an Material im einstelligen Milliliter-Bereich verarbeitet werden können. Dies ist bei der Verwendung von seltenen und hochpreisigen Materialien wie Edelmetallen wünschenswert. Die integrierten Materialreservoirs machen dies möglich und bieten gleichzeitig den größtmöglichen Schutz vor Querkontamination, wenn es zur Verarbeitung unterschiedlicher Materialien in einem Bauprozess kommt. Den Multi-Material 3D-Drucker bringt Amarea Technology mit einem Bauraum von 530 x 300 x 200 mm als modulares System auf den Markt. Mit bis zu sechs Druckköpfen können bei der Herstellung eines Bauteils bis zu sechs verschiedene Materialien innerhalb einer Schicht und schichtübergreifend kombiniert werden. Die hohe Anzahl an Druckköpfen ermöglicht es, einen allmählichen Übergang zwischen den Materialien bzw. den spezifischen Eigenschaften zu realisieren. Dies bietet Freiheitsgrade, die ideal für die Herstellung von Funktional Gradierten Komponenten (FGC – Functionally Graded Components) und anderer Multi-Material-Bauteile aus Hochleistungswerkstoffen aller Art sind. Die Übergänge zwischen den verschiedenen Materialien sind diskret und ohne Diffusionszone um die Grenzfläche, d. h. es entstehen beim Druck keine Fehlstellen wie Lunker, Risse oder andere Einschlüsse. Ein standardmäßig integrierter 3D-Profilsensor überwacht dabei inline den gesamten Bauvorgang. Er unterstützt die automatisierte Parametrisierung der Tropfenablage, was zu höherer Präzision und Qualität der gedruckten Bauteile führt. Zusätzlich wird der Druckprozess dokumentiert, was besonders wichtig für Branchen mit hohen Qualitätsanforderungen wie die Luft- und Raumfahrt oder die Medizintechnik ist und die gesammelten Daten können genutzt werden, um den Druckprozess kontinuierlich zu analysieren und zu verbessern.

3D-Drucker mit dem MMJ-Verfahren verdrucken verschiedene Materialien in einem Herstellungsschritt, z.B. elektrisch leitende und elektrisch isolierende Keramiken zur Herstellung von funktionalisierten, wiederverwendbaren Zündern für harsche Umgebungen mit Einsatztemperaturen von über 1.000 °C.

Höhere Funktionalität heißt 3D-Druck von Baugruppen

Die Multi-Material-Fähigkeit der 3D-Drucker ermöglicht es, deutlich funktionalere Bauteile zu designen und sich noch stärker von den herkömmlichen Fertigungsmethoden zu lösen. So können beispielsweise Sensoren oder Aktoren direkt in ein Bauteil gedruckt werden, was viele Herstellungsprozesse erheblich vereinfacht. Mit der Kombinationsmöglichkeit von Eigenschaften durch unterschiedliche Materialien entsteht in einem Druckvorgang nicht nur ein Bauteil, sondern eine Baugruppe. Prozessschritte können so entfallen und es entstehen robustere Produkte, da es weniger bis gar keine Verbindungs- und damit Schwachstellen gibt. Eine verkürzte Produktionskette heißt im Umkehrschluss auch Reduzierung von Zeit wie auch Kosten. Unternehmen können ihre Produkte schneller und effizienter auf den Markt bringen.

Was macht die Technologie so interessant?

Amarea Technology setzt in der Additiven Fertigung mit seiner Multi-Material 3D-Druck-Technologie neue Impulse. Durch die Kombination verschiedener Materialien in einem einzigen Druckvorgang eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für die Produktentwicklung und -herstellung. Unternehmen können robustere, leichtere, stärkere und funktionalere Produkte entwickeln und ihre Wettbewerbsfähigkeit steigern. Das Anwendungsspektrum ist dabei weit gestreut und das Start-up adressiert Anwender aus unterschiedlichsten Branchen wie der Chipindustrie, dem Sonderwerkzeugbau, dem Automotivbereich, der Schmuck- und Uhrenindustrie, der Luft- und Raumfahrt, aber auch der Medizintechnik und Energietechnik.

Wenn gewünscht, begleiten die Experten von Amarea Technology ihre Kunden entlang der gesamten additiven Fertigungskette. Materialseitig von der Abstimmung und Auswahl geeigneter Materialien aus dem großen Materialportfolio über die Qualifizierung kundenspezifischer Materialien hin zum Druckmaterial bis zur Entwicklung neuer Druckmaterialien. Serviceseitig unterstützt das Team selbstverständlich auch nach dem Erwerb der 3D-Drucker weiter. Ob Vor-Ort-Wartung, Schulung neuer Anlagenbediener oder Unterstützungsleistung bei Konstruktionsfragen neuer und funktionaler Bauteile, Amarea Technology versteht sich als Partner rund um das Thema Multi-Material 3D-Druck mit Hochleistungswerkstoffen. Amarea Technology wird auch auf der Formnext in Frankfurt vertreten sein, wo die Technologie live zu erleben sein wird und die Amarea-Mitarbeiter für Fragen zur Verfügung stehen.