Exentis DNAein komplexes Zusammenspiel von unterschiedlichen Kompetenzfeldern

Die Exentis DNA, also das komplexe Zusammenspiel von Kompetenzfeldern, von der ersten Materialkomposition bis hin zur industriellen Fertigung und Auslieferung der 3D gedruckten Bauteile, beinhaltet im Wesentlichen sechs Eckpfeiler, die bei Exentis in einem über Jahrzehnte entwickelten und umfassend patentierten Verfahren, dem Exentis 3D Mass Customization®, zur Anwendung kommen.

Ein Blick in die Exentis DNA

Die technologischen Eckpfeiler des Exentis 3D Mass Customization®

Die technologischen Eckpfeiler der umfassend patentierten Verfahrenstechnologie, dem Exentis 3D Mass Customization®, garantieren die Alleinstellung der Exentis 3D Siebdrucktechnologie. Des Weiteren werden sie zur Verankerung des Verfahrens und zum technologisch wie wirtschaftlichen Erfolg in der Additiven Fertigungstechnologie beitragen.

Technologischer Eckpfeiler 1: Materialauswahl

In einem ersten Schritt werden mit dem Kunden die bauteilspezifischen Materialanforderungen definiert. Der Materialwahl kommt in Bezug auf Bauteileigenschaften eine herausragende Bedeutung zu. Neben Metallen und Legierungen auf Basis von Stahl, Kupfer, Aluminium, Refraktärmetallen oder Seltenen Erden lassen sich im 3D Siebdruck auch Keramik, Glas, Polymere, organische Werkstoffe und Biomaterialien drucken. Zugleich, bedingt durch den schichtweisen Aufbau, lassen sich unterschiedliche Werkstoffe in Form von lamellaren Strukturen kombinieren. Composite-Materialien runden das Spektrum ab.+

Damit die Bauteile nach dem Durchlauf der gesamten Prozesskette die vom Kunden spezifizierten Eigenschaften aufweisen, muss der Wahl des pulverförmigen Ausgangsmaterials bei keramischen und metallischen Werkstoffen besondere Bedeutung beigemessen werden. Durch eine geeignete Wahl der Morphologie, Korngrössenverteilung und Partikelform des Pulvers lassen sich die Sinterbarkeit, die Porosität, die Leitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften gezielt festlegen. Eine Vorbehandlung des Pulvers, beispielsweise durch Kalzinieren, wie auch die spezifische Reinheit sind zwingend erforderlich und haben erheblichen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften und die Druckbarkeit.

Die Eigenschaften des Pulvers haben neben ihrem Einfluss auf die Eigenschaften des gesinterten Bauteils auch eine direkte Auswirkung auf die Verarbeitbarkeit des Pulvers, zum Beispiel zur Realisierbarkeit von extrem feinen Strukturen mit Wandstärken von 60 Mikrometer, was dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht. Die Korngrössenverteilung, die Morphologie und die Partikelform bestimmen schlussendlich auch, mit welchen Sieben sich die Pastensysteme drucken lassen. Abrasive Partikel stellen andere Anforderungen an Siebe als weichere Werkstoffe.

Technologischer Eckpfeiler 2: Pastensystementwicklung

Beim Exentis 3D Mass Customization® ist die Herstellung von Pastensystemen, also die Schaffung der Druckbarkeit von Pulvern, der entscheidende Bestandteil des Hightech 3D Druckverfahrens. Sozusagen die "Coca-Cola-Formel" der Exentis 3D Siebdrucktechnologie. Mit dem 3D Siebdruckverfahren lassen sich Komponenten aus Keramik, Metall und polymeren Systemen, genauso wie Biomaterialien verarbeiten. Das Ausgangsmaterial liegt in den meisten Fällen in Pulverform vor, aus welchem dann unter Zugabe einer Reihe von Additiven Pastensysteme hergestellt werden

Bei der Verarbeitung von polymeren Systemen und Biomaterialien ist eine genaue Kenntnis über das Verarbeitungsfenster hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit, Sauerstoffgehalt und Lichtempfindlichkeit unabdingbar. Diese Parameter sind für jedes System individuell zu definieren und erlauben nicht einmal geringste Toleranzen, um die gewünschten Eigenschaften reproduzierbar, also industriell darzustellen.

Bei der Verarbeitung von polymeren Systemen und Biomaterialien ist eine genaue Kenntnis über das Verarbeitungsfenster hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit, Sauerstoffgehalt und Lichtempfindlichkeit unabdingbar. Diese Parameter sind für jedes System individuell zu definieren und erlauben nicht einmal geringste Toleranzen, um die gewünschten Eigenschaften reproduzierbar, also industriell darzustellen.

Die Materialwahl und die Kompetenz im Bereich der Pastensystemherstellung gehen Hand in Hand. Die Rheologie, also die Fliesskunde, die sich mit dem Verformungs- und Fliessverhalten von Materie beschäftigt, lässt die Pasten unter anderem durch eine geschickte Materialwahl in die gewünschte Richtung lenken.

Durch eine geeignete Wahl von Bindern, Plastifizierern und weiteren Additiven lässt sich die Viskosität der Pasten zusätzlich modifizieren. Diese wird den Anforderungen an die zu druckende Struktur, an die Siebe und an die Druckhöhe angepasst. Auch die Möglichkeit, Schablonen anstelle von Sieben einzusetzen oder die beiden Werkzeuge in einem Herstellverfahren zu kombinieren, um auf diese Weise die Druckhöhe zu maximieren, spielt bei der Abstimmung des rheologischen Verhaltens der Pasten eine wesentliche Rolle. Zu berücksichtigen sind bei der Herstellung von Pasten nicht nur verarbeitungstechnische Aspekte, sondern auch die Anforderungen an das Bauteil nach der Sinterung.

Die chemische Zusammensetzung, die Porosität, die mechanischen sowie physikalischen Eigenschaften wie auch die Oberflächengüte können durch die Zuführung von Additiven, zur Modifikation der Pasten, in gewünschte Richtungen stark beeinflusst werden.

Technologischer Eckpfeiler 3: Bauteilspezifische Siebherstellung

Die Herstellung von Präzisionssieben für den 3D Siebdruck in der Grossserienfertigung umfasst vielschichtige Anforderungen im Hinblick auf Auflösungsvermögen, perfekten Pastenfluss, Kantenschärfe, Lebensdauer, stabiles Aspektverhältnis und höchste Reproduzierbarkeit beim vertikalen Aufbauverhalten.

Durch eine strategische Kooperation mit dem technologischen Weltmarktführer von polymeren Siebgeweben in Japan verfügt Exentis über einen konkurrenzlosen Zugang zu qualitativ herausragenden Geweben als Basis für die Herstellung jedes einzelnen Exentis Produktionssiebes.

Die Kombination aus statisch optimierten Siebrahmen, High-Performance-Geweben aus Japan und teilungskonformer Spanntechnik erzeugt eine Bespannungsqualität, die eine hohe Lebensdauer der Siebe im Fertigungsprozess erwarten lassen kann.

Im weiteren Sieb-Herstellungsprozess erfolgt eine Fotopolymer-Beschichtung unter Reinraumbedingungen mit engsten Toleranzen bei Auftragungsdicke und Oberflächenrauigkeit. Das spezifische, finale Layout wird abschliessend mit High-Resolution-Plots realisiert und erzeugt detailkonforme Strukturen mit vordefinierten Aspektverhältnissen.

Abgerundet durch technische und optische Vermessungen in der Qualitätskontrolle verlässt das Exentis Sieb die hauseigene industrielle Siebproduktion und wird zum wertschöpfenden Werkzeug jedes Exentis 3D Produktionssytems.

Technologischer Eckpfeiler 4: 3D Siebdruckprozess

Die konventionelle 2D Siebdrucktechnik ist ein jahrzehntelang etabliertes und akzeptiertes Verfahren in der herstellenden Industrie, z.B. bei der grossseriellen Fertigung von Solarzellen, Leiterplatten und Autogläsern.

Durch die Integration der z-Achse in den industriellen Fertigungsprozess mittels des Exentis 3D Mass Customization® Verfahrens und eigens entwickelten Produktionssystemen spielt nun der 3D Siebdruck seine Dickschichtkompetenzen aus und ermöglicht Schichtdicken von unter 20 Mikrometern bis zu mehr als 150 Mikrometern. Diese Höhe gilt als Benchmark im Bereich der Funktionsmaterialien Keramik, Metall, Glas und bei organischen Werkstoffen.

Die Parameterlandschaft beim reinen 3D Druckprozess ist mit 70 separat einzustellenden Prämissen entsprechend umfangreich. Wesentliche Parameter hierbei sind z.B. Absprung, Sieblift, Rakelgeschwindigkeit, Rakelneigung, Rakelmaterial, Phasenlage, Shorehärte, Gewebespannung, EOM-Dicke, RZ-Wert und das Abstimmen auf die Pastenrheologie.

Die Herausforderung für die Sicherstellung eines hochqualitativen industriellen 3D Siebdruckfertigungsprozesses liegt in der Beherrschung der Wechselwirkungen der oben genannten Parameter zueinander und basiert auf den Modellen der Dynamik und Grenzflächenphysik.

Als Durchdruckverfahren ist die Exentis 3D Siebdrucktechnologie prädestiniert für hohe z-Achsenwerte bei gleichzeitig ultrahohen Auflösungskompetenzen im Bereich unterhalb von 20 Mikrometern. Das entspricht zwei hundertstel Millimetern bzw. einem Drittel der Stärke von Zeitungspapier. Ein Verfahren also, das hochfeine und hochgenaue Bauteildimensionen und -geometrien ermöglicht.

 

Technologischer Eckpfeiler 5: Bauteilspezifische 3D Produktionssysteme

Bei Exentis werden dank dem Exentis 3D Mass Customization® neuartige Fertigungskonzepte auf Basis der 3D Siebdrucktechnologie entwickelt, die die Produktivität um ein Vielfaches steigern und bei ausgewählten Produkten mittlerweile zu einer Jahresproduktion von über 5 Millionen Bauteilen pro einzelnem Produktionssystem führen. Exentis konzipiert, entwickelt und dokumentiert die Produktionssysteme, die anschliessend exklusiv bei Spezialmaschinenbauern individuell aufgebaut werden. Keine Produktionseinheit gleicht somit der anderen. Druckhöhen, Prozessgeschwindigkeiten, Qualitätssicherungssysteme, Trocknungsstrecken, Pastenzuführung und Ausbringungsmengen werden für jedes Bauteil neu optimiert.

Eine permanente Überwachung der Druckguteigenschaften über elektronisch gesteuerte optische Systeme mit hochauflösenden Kameras dient der Qualitätskontrolle. Eine bei Bedarf klimatisierte und konditionierte Einhausung ermöglicht den Einsatz chemisch wie auch technologisch anspruchsvoller Werkstoffe, Pastensysteme, Trocknungs- und Härteverfahren.

Da es sich bei der 3D Siebdrucktechnologie um ein Kaltdruckverfahren handelt und damit die bei anderen Verfahren notwendige Hochtemperatur-Druckkammer vermieden werden kann, wird jede gedruckte Schicht getrocknet, um den adhäsiven Auftrag der nächsten Schicht zu ermöglichen. Dies erfolgt bei metallischen und keramischen Werkstoffen durch den Einsatz von Infrarotstrahlung (IR).

Neben dem Einsatz von IR-Strahlung zur Trocknung der Schichten können zum Beispiel, basierend auf einem UV-Licht-sensitiven Polymersystem, die Prozesszeiten beim Aufbau von Kunststoffbauteilen entscheidend optimiert werden. Die Aushärtung zum fertigen Bauteil erfolgt hierbei durch eine UV induzierte Polymerisation und kommt ohne eine anschliessende Wärmebehandlung aus. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Kunststoffe oder auch Leitpasten zu 3D Strukturen verarbeiten. Mit der Auswahl sinterfähiger Werkstoffkombinationen ist so die Massenfertigung von miniaturisierten Bauteilen, z.B. Elektroden, in einem Fertigungsschritt möglich.

Biomaterialien erfordern andere Produktionsbedingungen als Keramiken oder Metalle. Es geht um die Grossserienfertigung in Reinräumen mit entsprechend zertifizierten Produktionssystemen. Exentis verfügt über entsprechend zugelassene Steuerungs-, Dokumentations- und Produktionssysteme, die alle gängigen Anforderungen an die Herstellung von medizinischen und pharmazeutischen Produkten erfüllen

Durch prozessautomatisierte Siebwechsel werden Layoutänderungen innerhalb der Bauteilgeometrie und auch optionale Pastenwechsel zur Variation der Bauteilfunktionalitäten realisiert. Exentis verfügt über Siebwechselsysteme, die mithilfe einer Steuerungssoftware bedienerlos im Fertigungsprozess getaktet werden

Technologischer Eckpfeiler 6: Mehrphasen Sinterung

Neben der Auswahl von Materialien, der Pastensystem- und Siebherstellung und dem 3D Siebdruckprozess auf bauteilspezifischen 3D Produktionssystemen, ist die Mehrphasen Sinterung ein weiterer wichtiger Kompetenzbaustein zur Erzielung des gewünschten Bauteilverhaltens.

Erst bei der Sinterung entwickeln die Materialien ihre entsprechenden Eigenschaften. Neue molekulare Verbindungen entstehen, Kristallstrukturen bilden sich und das Material gewinnt seine Dichte.

Grundsätzlich besteht die Sinterung aus einem zweistufigen Prozess. In einem ersten Schritt erfolgt die Entbinderung. Während dieser Phase verflüchtigen sich die Additive vollständig aus den sogenannten Grünkörpern. So werden die fertig gedruckten Bauteile genannt, die für bessere Verarbeitbarkeit und optimalen Zusammenhalt der Pastensysteme mit Additiven im energie­ und materialeffizienten Kaltdruckverfahren hergestellt werden.

Zur Untersuchung dieser thermischen Reaktionen werden modernste Methoden angewendet, um die Sinterprogramme und bauteilspezifischen Sinterkurven wirtschaftlich auszulegen und den Bauteilen die spezifizierten Eigenschaften zu verleihen.

Exentis verfügt über erfahrene Fachleute, die diese grundlegenden Daten in optimierte Sinterkurven umsetzen. Dabei werden neben Temperaturverlauf auch atmosphärische Bedingungen wie Schutzgas oder Sauerstoff, oxidierende und reduzierende Gase sowie deren jeweilige Druckparameter berücksichtigt. Nur so können die gewünschten Bauteil-, Material- und Oberflächeneigenschaften im industriellen Fertigungsprozess bei hohen Qualitätswerten reproduziert werden.

Diese sechs Eckpfeiler der umfassend patentierten Verfahrenstechnologie, dem Exentis 3D Mass Customization®, garantieren die Alleinstellung der Exentis 3D Siebdrucktechnologie. Des Weiteren werden sie zur Verankerung des Verfahrens und zum technologisch wie wirtschaftlichen Erfolg in der Additiven Fertigungstechnologie beitragen

In einem zweiten Sinterungsschritt, bei deutlich höheren Temperaturen, erfolgt die Verdichtung und diffusionsgesteuerte Anbindung der Materialpartikel, die dem Bauteil schliesslich die vorher definierte Festigkeit und Dichte verleihen.

Einige Werkstoffe durchlaufen bei der Sinterung Phasenumwandlungen, die bewusst angesteuert oder umgangen werden können, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Dichte gezielt den Kundenanforderungen anzupassen.

Zur Untersuchung dieser thermischen Reaktionen werden modernste Methoden angewendet, um die Sinterprogramme und bauteilspezifischen Sinterkurven wirtschaftlich auszulegen und den Bauteilen die spezifizierten Eigenschaften zu verleihen.

Exentis verfügt über erfahrene Fachleute, die diese grundlegenden Daten in optimierte Sinterkurven umsetzen. Dabei werden neben Temperaturverlauf auch atmosphärische Bedingungen wie Schutzgas oder Sauerstoff, oxidierende und reduzierende Gase sowie deren jeweilige Druckparameter berücksichtigt. Nur so können die gewünschten Bauteil-, Material- und Oberflächeneigenschaften im industriellen Fertigungsprozess bei hohen Qualitätswerten reproduziert werden.