Text und Bilder: VoxelMatters, 29.09.2023
Technische Keramik, der Werkstoff der Zukunft
Technische Keramik ist für die Zukunft der Menschheit eine wichtige Werkstofffamilie. Sie wird in einigen der fortschrittlichsten Anwendungen im Gesundheitswesen (einschließlich zahnmedizinischer und medizinischer Implantate), in der Luft- und Raumfahrt, im Energiesektor und bei Industriemaschinen eingesetzt.
Ingenieure sagen, dass sie auf technische Keramik zurückgreifen, wenn sie alle anderen Möglichkeiten ausgeschöpft haben. Warum? Weil einige der fortschrittlichsten Keramikwerkstoffe fast so hart wie Diamanten sind und sich mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur sehr schwer bearbeiten lassen. Gleichzeitig bieten sie im Vergleich zu Metallen, Polymeren oder Verbundwerkstoffen eine bessere Leistung, wenn es um Eigenschaften wie Temperatur- oder chemische Beständigkeit und das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht geht.
Die additive Fertigung von Keramik (Additive Manufacturing, AM) ist eines der wenigen Segmente, das eine echte Einnahmequelle im industriellen Sektor darstellt, und sie ist auch ein Treiber für die derzeit auf den Markt kommenden AM-Technologien mit Binder Jetting. Die Zahl der eindeutig identifizierten, realisierbaren Anwendungen für 3D-gedruckte Endprodukte aus technischer Keramik ist jedoch nach wie vor begrenzt. Diese Einschränkung ist in erster Linie auf das mangelnde Bewusstsein der größten Akteure auf dem Keramikmarkt und auf die weiterhin bestehende Herausforderung zurückzuführen, wertschöpfende AM-Anwendungen für Keramik zu erkennen und zu identifizieren.
Obwohl es sich nach wie vor um einen Nischenmarkt handelt, nimmt das Interesse an keramischer AM weiter zu. Einige der führenden Anbieter von technischer Keramik – große Unternehmen wie Kyocera, Bosch, Alumina Systems, Zipro, AGC, Imerys und CeramTec – haben sich nun mit anderen Keramik-AM-Spezialisten zusammengetan und bieten keramische AM-Werkstoffe oder 3D-Druckdienstleistungen an. Gleichzeitig erweitern die marktführenden Hardware-Unternehmen wie Lithoz, 3DCeram, ExOne (Desktop Metal), Admatec (Nano Dimension), voxeljet, XJet, iLaser und andere stetig die technologischen Grenzen, um weitere Anforderungen des Keramikmarktes erfüllen zu können.
Bis zum Ende des Prognosezeitraums im Jahr 2032 wird die Hardware voraussichtlich zu einem weltweiten Umsatzpotenzial in Milliardenhöhe expandieren. Es werden jedoch noch erhebliche Investitionen in die Hardware-Entwicklung und die Marktexpansion (im Sinne einer Vergrößerung der weltweit installierten Basis) erforderlich sein, bevor der AM-Kernmarkt für technische Keramik rein von Anwendungen dominiert wird.
AM technische Keramik – Prognose der Marktumsätze nach den 4 wichtigsten vertikalen Branchen (2022-2032)
Anwendungen der additiven Fertigung von technischer Keramik
Im industriellen Segment ermöglicht 3D-gedruckte Keramik, die mit SLA-Verfahren (Stereolithografie) hergestellt wird, eine breite Palette an bestehenden und potenziellen Anwendungen. Ein wichtiger Vorteil ist die chemische Inertheit von technischer Keramik. Dadurch sind 3D-gedruckte Keramikteile ideal für Bauteile wie Filter, die mit chemischen Flüssigkeiten oder Gasen in Berührung kommen. Zudem zeichnet sich diese Werkstoffgruppe durch eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aus, die den Einsatz in Teilen wie Werkzeugen und Dichtungen ermöglicht, sowie durch eine hohe Temperaturbeständigkeit, die Anwendungen für Heizungskomponenten, Industriedüsen und Einspritzdüsen eröffnet. Durch die Nutzung der Designfreiheit von AM kann 3D-gedruckte technische Keramik, die mit SLA hergestellt wurde, für Wärmetauschanwendungen verwendet werden, was die Herstellung komplexer Innenkanäle in einer Vielzahl von Größen und Abmessungen ermöglicht. Eine weitere kritische Werkstoffeigenschaft für industrielle Anwendungen ist die elektrische Isolierung. SLA von Keramik eignet sich für die Herstellung verschiedener Teile, darunter Antennen, Gehäuse für elektrische Geräte und Induktionsspulen. Die DLP-Technologie (Digital Light Processing) für technische Keramik wird ebenfalls vor allem in der Industrie für komplexe Wärmemanagementanwendungen eingesetzt, z. B. in Mikroreaktoren und Wärmetauschern.
Darüber hinaus werden durch die Binder-Jetting-Technologie weitere industrielle Anwendungen der additiven Fertigung für technische Keramik möglich. Derzeit ist ExOne im Bereich des direkten Binder Jetting von technischer Keramik führend und bietet Unterstützung für verschiedene Werkstoffe. Neben Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid bietet Siliziumkarbid, ein extrem widerstandsfähiger Werkstoff, der sich mit der Stereolithografie nur schwer bearbeiten lässt, das größte Potenzial für kommerzielle Anwendungen im Bereich des Binder Jetting von technischer Keramik. Denn mit dieser Technologie können Großteile hergestellt werden, die für verschiedene Industriesegmente geeignet sind, einschließlich hochtemperaturbeständiger Anwendungen und Werkzeuge wie Gussformen. Borcarbid, ein weiterer außergewöhnlich widerstandsfähiger Werkstoff, der in der Verteidigung und in der Kernenergie eingesetzt wird, wurde von ExOne und seinen Partnern ebenfalls eingehend erforscht.
In der medizinischen und biomedizinischen Industrie ist Keramik im SLA-3D-Druck aufgrund ihrer biokompatiblen und antibakteriellen Eigenschaften sowie ihrer Festigkeit und Haltbarkeit sehr gefragt. Konkret wird 3D-gedruckte technische Keramik zur Herstellung von orthopädischen Implantaten und Knochenersatzmaterialien verwendet. Keramische SLA-Verfahren können zur Herstellung von CMF (Color, Material, Finish) eingesetzt werden – mit optimierter Porosität. Dies erhöht nicht nur die Festigkeit der Implantate, sondern verbessert auch ihr Potenzial zur Osteointegration.
Der Dentalbereich ist ein weiterer Bereich innerhalb der Medizin, in dem damit begonnen wird, AM-Produktionsmethoden für technische Keramik einzusetzen. Zahnmedizinische AM-Anwender können heute aus über 10 verschiedenen keramischen Werkstoffen wählen, darunter auch bewährte Materialien wie Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid, die zur Herstellung von hochpräzisem Zahnersatz und Implantaten verarbeitet werden können. Zudem stehen auch glaskeramische Werkstoffe wie Lithiumdisilikat zur Verfügung. Weitere wichtige Werkstoffe sind Hydroxylapatit (HAP), Tricalciumphosphat (TCP) und Aluminiumoxid-gehärtetes Zirkoniumdioxid (ATZ).
Ein Schlüsselbereich für die künftige Entwicklung ist die Luft- und Raumfahrtindustrie, die beständig versucht, die Leistung von Ausrüstungen wie Satellitenteilen, Messinstrumenten, HF-Filtern, Antennen, optischen Instrumenten und Antriebssystemen zu optimieren – dies, indem sie sich die Eigenschaften der technischen Keramik wie Festigkeit, chemische Beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Beständigkeit gegen extreme Temperaturen, elektrische Isolierung und geringes Gewicht zunutze macht. Technische Keramik erweist sich als idealer Werkstoff für die härtesten Herausforderungen in der Luft- und Raumfahrt. Eine weitere vielversprechende Anwendung für technische Keramik in der Luft- und Raumfahrt ist die Herstellung von keramischen Gusskernen. Gusskerne, die bei der Herstellung von Turbinenschaufeln und Komponenten für die Energie- und Luftfahrtindustrie verwendet werden, profitieren erheblich von der Flexibilität und Designfreiheit, die der 3D-Druck bietet. Zu den Werkstoffen, die sich gut für die Herstellung von Gusskernen eignen, gehören Aluminiumoxid (ideal für Nickel-, Kobalt-, Stahl- und Titanlegierungen), Quarzglas (geeignet für Nickel und Aluminium), Aluminiumsilikat (perfekt für Äquiax-Guss) und Silicore (geeignet für alle Legierungen außer Kobalt). Keramische Werkstoffe können auch für spezifische Anwendungen und Kundenanforderungen angepasst werden.
Im Energiesektor schließlich hat die keramische DLP-Technologie industrielle Anwendung bei der Herstellung von Batterien und Energiezellen gefunden, während die chemische Beständigkeit der Werkstoffe sie für die maritimen Industriesegmente interessant macht.
AM technische Keramik – Prognose der Gesamtmarktumsätze nach Regionen (2022-2032)
Trends bei keramischer AM-Hardware, -Werkstoffen und -Dienstleistern
Alle keramischen additiven Fertigungstechnologien (AM) basieren auf Verfahren, bei denen keramische Partikel gebunden werden, um dreidimensionale Objekte zu formen, bevor sie als Nachbearbeitungsschritt in einem Ofen gesintert werden. Als solche gelten sie als produktionsreife Verfahren. Somit wurde die keramische AM ursprünglich als Produktionsverfahren entwickelt – und wird auch künftig als solches weiterentwickelt –, das auch für das Prototyping verwendet werden kann, und nicht als Prototyping-Verfahren, das sich zur Produktion weiterentwickelt, wie dies bei vielen Polymer- und Metall-AM-Technologien der Fall ist.
Bei technischer Keramik gibt es eine Vielzahl von Werkstoffkategorien, wobei der Oxidkeramik eine besondere Bedeutung zukommt. Im Rahmen der additiven Fertigung werden unter diesen Oxidkeramiken vor allem Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid eingesetzt. Diese Werkstoffe, die üblicherweise in Form von Aufschlämmungen für Stereolithografieverfahren erhältlich sind, dominieren den Markt. Aber auch Silikatkeramik wie Siliziumoxid können zu dieser Kategorie gezählt werden.
Ein Umsatzpotenzial für keramische AM-Werkstoffe liegt vor allem im Segment der Keramik-Slurries, wobei Lithoz und 3DCeram als dominante Akteure bei der Umsatzgenerierung durch Werkstoffverkauf auftreten. Aluminiumoxid ist nach wie vor der meistgenutzte keramische Werkstoff in der additiven Fertigung.
AM technische Keramik – Prognose der Gesamtmarktumsätze nach AM-Kernsegment (2022-2032)
AM-Dienstleister spielen eine zentrale Rolle bei der Förderung einer breiteren industriellen Akzeptanz, und diese Bedeutung gilt insbesondere für den komplexen Bereich der keramischen AM. Während technologieunabhängige Anbieter in der Polymer- und Metall-AM weit verbreitet sind, fehlt im Keramiksegment diese Vielfalt. Führende AM-Dienstleister für Produkte aus technischer Keramik, darunter Formatec (jetzt Teil von Nano Dimension), XJet und ExOne (jetzt Teil von Desktop Metal), zeichnen sich durch ihre unternehmenseigenen Technologien und speziellen Einrichtungen nicht nur als Hardware-Hersteller, sondern auch als Anbieter von AM-Dienstleistungen aus.
Ein interessanter und sich schnell entwickelnder Sektor innerhalb der AM-Dienstleister für Keramik sind Hersteller von Keramikprodukten, die AM für ihre kompliziertesten Komponenten nutzen. In der Zwischenzeit haben sich hochspezialisierte Dienstleistungsunternehmen für den 3D-Druck von Keramik eine Nische geschaffen, die verschiedene Industriesektoren bedienen und sich auf keramische Werkstoffe konzentrieren. Eine eigene Kategorie von Keramik-AM-Dienstleistern hat sich herausgebildet, die ausschließlich die Medizin- und Dentalbranche versorgen.
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AM technische Keramik – CAGR (jährliche Wachstumsrate) Gesamtmarktumsatz (2022-2032)
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