3D-Druck von Edelmetallen – ein neuer Ansatz?

Eine aktuelle Studie von SmarTech hat den Markt für Edelmetallmaterialien in der additiven Fertigung bis 2028 auf 250 Millionen US-Dollar geschätzt. Dies zeigt, dass der 3D-Druck zwar noch relativ in den Kinderschuhen steckt, aber ein stetig wachsender Bereich ist. Der 3D-Druck von Edelmetallen wie Gold, Silber oder Platin ist ideal für Low-Bat-High-End-Anwendungen mit hoher Anpassungs- und Designfreiheit. Vor diesem Hintergrund können Branchen wie Schmuck, Uhrmacherei, Dental und Elektronik enorm vom 3D-Druck mit diesen Materialien profitieren.

Wir werden uns ansehen, wie der 3D-Druck mit Edelmetallen funktioniert, die Grenzen der Technologie und wie sich die Anwendungen in Zukunft entwickeln könnten.

Direkte und indirekte Herstellung

Es gibt zwei Hauptansätze für den 3D-Druck von Edelmetallen:direkte und indirekte Herstellung . Bei der indirekten Fertigung wird der 3D-Druck verwendet, um Werkzeuge wie Matrizen und Formen für traditionelle Prozesse herzustellen. Der direkte 3D-Druck hingegen bezieht sich auf die Erstellung von Teilen direkt aus dem Design.

Indirekte Herstellung mit Edelmetall beinhaltet den 3D-Druck eines Wachsmodells für den Feinguss. Stereolithographie (SLA) wird typischerweise verwendet, um solche Muster aus gießbaren, wachsartigen Harzen zu erstellen. Dabei fährt ein UV-Licht-Laser über eine Schicht aus flüssigem Photopolymer (Harz) und verfestigt das Material selektiv. Wenn das Wachsmodell fertig ist, wird es mit einem hitzebeständigen Material wie Gips bedeckt und in einen Ofen gegeben, in dem das Wachs geschmolzen wird, wobei nur die ausgehärtete Gipsform zurückbleibt. Dieser Vorgang wird auch „Wachsverlust“ genannt. Das geschmolzene Edelmetall wird dann in die Form gegossen und füllt den vom Wachs hinterlassenen Raum aus.

Dieses Verfahren ist besonders für die Schmuckindustrie von Vorteil, da es Zeit und Mühe spart, die mit dem Handschnitzen von Modellen verbunden sind, und es Schmuckherstellern ermöglicht, hochkomplexe, individuelle Schmuckstücke zu entwerfen. Derzeit bietet der 3D-Druckermarkt eine breite Palette von SLA-Maschinen an, die sich gut für die Herstellung von Wachsmodellen eignen.

Im Gegensatz zum direkten 3D-Druck können Hersteller Edelmetallteile direkt aus CAD-Dateien erstellen. Die beiden am häufigsten verwendeten 3D-Drucktechnologien für den direkten 3D-Druck mit Edelmetallen sind Direct Metal Laser Sintering (DMLS) und Material Jetting.

Ein genauerer Blick auf die direkte Fertigung

Die direkte Fertigung steckt im Vergleich zum indirekten 3D-Druck noch in den Kinderschuhen. Obwohl Direct Metal Laser Sintering (DMLS) eines der gebräuchlichsten additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Metallteilen ist, ist das Lasersintern von Edelmetallpulvern möglicherweise erst seit kurzem möglich, zum Teil aufgrund der intrinsischen Schwierigkeiten bei der Verarbeitung dieser Materialien.

Edelmetallpulver sind auch kostspielig in der Forschung und Entwicklung. Darüber hinaus sind viele Edelmetalle wie Gold und Silber stark reflektierend und wärmeleitfähig. Dies bedeutet, dass typische AM-Laser nicht in der Lage sind, das Material vollständig aufzuschmelzen und ein homogenes Teil zu erzeugen. Trotz der Herausforderungen haben einige AM-Hersteller jedoch Maschinen entwickelt, die Edelmetallmaterialien mit DMLS verarbeiten können.

Maschinen auf dem Markt

Der deutsche Hersteller EOS hat beispielsweise 2014 in Zusammenarbeit mit dem britischen Edelmetallunternehmen Cooksongold den 3D-Drucker EOS PRECIOUS M 080 auf den Markt gebracht. Mit diesem System kann eine breite Palette von Edelmetallpulverlegierungen verwendet werden, von Gold über Silber bis hin zu Platin und Palladiumlegierungen.

Ähnlich verwendet das Schmuckunternehmen Boltenstern den PRECIOUS M 080, um seine Schmuckkollektion „Embrace“ zu kreieren, die in 3D in Gold und Platin gedruckt wird. Die Technologie ermöglichte bisher unerreichbare Anpassungsgrade bei der Herstellung von Stücken mit komplexen Designs. Die Kollektion umfasste Schmuckstücke wie Armbänder, Ohrringe, Ringe, Halsketten und Manschettenknöpfe.

Der italienische Maschinenbauer Sisma führte das mysint100-System für den 3D-Druck mit Edelmetallen (Bronze, Gold und mehrere Edelmetalllegierungen) und Nichtedelmetallpulver im Jahr 2014. Und 2016 hat das Unternehmen sein 3D-Drucker-Portfolio um die größere mysint300-Maschine erweitert, die sich für die Produktion von Kleinserien und mittelgroßen Teilen eignet.

3D-Druck von Platin

Der 3D-Druck von Platin ist ein besonders interessanter Anwendungsfall. Das Material ist wegen seiner hohen Schmelztemperatur und seiner hohen Reaktivität mit den Tiegel- und Einbettmassenmaterialien bekanntermaßen schwierig zu gießen. Dies führt zu hohen Produktionskosten, dem Bedarf an spezieller Ausrüstung und häufigen Fehlern in den Endprodukten, was das Lasersintern zu einer besseren Alternative zum Gießen macht. Das Edelmetallunternehmen Cooksongold hat sogar geschätzt, dass die Dichte von 3D-gedrucktem Platin über 99,9 % erreichen kann, während gegossenes Platin eine Dichte von 99,2 % hat.

Zahnmedizin

In der Dentalindustrie kann der 3D-Druck von Edelmetallen für Zahnrestaurationen verwendet werden, um kleine Chargen von Kronen, Inlays und Onlays herzustellen. Argen beispielsweise, spezialisiert auf dentale Digitaltechnik, verwendet Concept Laser-Maschinen für den 3D-Metalldruck mit Edelmetall- (Gold- und Palladiumlegierung), Edelmetall- (Palladium) und Nichtedelmetalllegierungen und fertigt auf Anfrage hochdichte, individuelle Prothesen.

Elektronik

Material Jetting ist ein völlig anderer additiver Herstellungsprozess als DMLS, bei dem Druckköpfe verwendet werden, die Materialtröpfchen Schicht für Schicht abscheiden. Diese Tröpfchen werden dann mit UV-Licht verfestigt.

Wenn es um Edelmetalle geht, wird Material Jetting typischerweise mit hochleitfähigen Silber- oder Goldtinten verwendet, um elektronische Geräte wie Antennen, PCB-Prototypen, Schaltungen und Sensoren im 3D-Druck zu drucken. Das israelische Unternehmen Nano Dimensions ist mit seinem DragonFly 2020 Pro 3D-Drucker Vorreiter auf diesem Gebiet. Mit dem proprietären Inkjet-Auftragssystem ist der DragonFly 2020 Pro in der Lage, gleichzeitig mit leitfähigen (Silber) und dielektrischen Tinten zu drucken, wodurch elektrisch funktionale Teile erzeugt werden.

Ein weiterer wichtiger Akteur auf dem Gebiet der 3D-gedruckten Elektronik mit Edelmetallen ist Optomec. Das US-Unternehmen hat speziell für die Produktlinie seiner Aerosol Jet-Drucker eine breite Palette von Edel- (Gold, Platin, Silber, Kupfer) und Nichtedelmetall-Tinten entwickelt. Der neueste 3D-Drucker der Linie – der Aerosol Jet HD – kam Anfang dieses Jahres auf den Markt. Die zugrunde liegende Technologie besteht aus einem Tintenzerstäuber, der den Aerosolnebel erzeugt, der anschließend mit Hilfe der aerodynamischen Fokussierung auf dem Substrat abgeschieden wird.

Elektronische Komponenten, von Widerständen über Antennen bis hin zu Sensoren, können mit der Aerosol Jet-Technologie hergestellt werden. Forscher der Carnegie Mellon University konnten mit der Technologie beispielsweise Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen in 3D drucken. Dehnungsmessstreifen sind Sensoren, die verwendet werden, um die Dehnung eines Materials oder einer Struktur zu messen und helfen, strukturelle Probleme in einem Bauteil zu erkennen. Die Dehnungsmessstreifen wurden aus Silbernanopartikeln hergestellt und zeigten eine überlegene Leistung als im Handel erhältliche Gegenstücke und können insbesondere für die Luft- und Raumfahrt und andere Hochleistungsindustrien wie Nuklear- und Stromerzeugungssysteme von Vorteil sein.

Blick in die Zukunft

Obwohl der indirekte 3D-Druck bei der Arbeit mit Edelmetallen nach wie vor die beliebteste Option ist, erkennen Branchen von der Schmuck- bis zur Elektronikindustrie immer mehr die Vorteile von direkt 3D-gedruckten Edelmetallen. Es gibt jedoch Hindernisse für eine breitere Einführung – von teuren Geräten bis hin zu den Schwierigkeiten, geeignete Edelmetallpulver und -tinten zu entwickeln.

Dennoch werden wir mit Blick in die Zukunft mehr direkt 3D-gedruckte Schmuck- und Dentalprodukte sehen, da sich der Trend zu mehr Individualisierung und schnellerer Markteinführung fortsetzt. Darüber hinaus wird verstärkt im Bereich der Edelmetalltinten geforscht. Wir stellen uns vor, dass 3D-gedruckte Elektronik viele Hochleistungsbranchen mit 3D-gedruckten Sensoren und Antennen revolutionieren könnte, dem nächsten Schritt in der Evolution des Internets der Dinge.