Industrielle AM-Keramik

Additiv gefertigter Kondensor aus Al2O3, der konventionell kaum herstellbar wäre.

Bei dem prämierten Bauteil handelt es sich um einen Verteilerring aus Keramik zur Beschichtung von Chips im PE-ALD (Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)-Verfahren. Der Aluminiumoxid-Ring hat den beachtlichen Durchmesser von 380 mm und besteht aus drei horizontal geteilten Ringen, die mit Glaslot gefügt sind. Zusätzlich sind zur inneren Gasverteilung 3D-gedruckte keramische Düsen aus 99,99 % Al2O3 gleichzeitig eingelötet worden. Der Ring kann den Beschichtungsraum gleichzeitig mit zwei Gasen (Precursoren) versorgen und ist trotzdem dünner als die Erstversion für nur ein Gas.

Um es noch komplizierter zu machen, ist der Gasanschluss für die Precursoren mit einem Titanröhrchen ausgeführt, welches dann noch an zwei 3D-gedruckte Edelstahlleitungen verlötet wird. Beide Metalllötungen werden über eine nachgeschaltete Aktivlötung angebracht. Alle Fügevorgänge sind in der Temperaturführung kaskadiert, d.h. der Prozess mit der höchsten Temperatur muss zuerst ausgeführt werden, weitere Prozesse müssen immer niedriger in der Temperatur liegen, damit vorhergehende Lötstellen nicht wieder „aufgehen“.

Additiv gefertigte Mischstrecke aus Al2O3 mit feinsten Funktionskonturen.

Ohne Additive Fertigung gar nicht herstellbar

Bis auf die Metallteile wurden die Komponenten und Fügeprozesse bei Alumina Systems in Redwitz hergestellt bzw. durchgeführt. „Bei diesem Bauteil haben wir unser gesamtes Know-how eingesetzt“, betont Wampers und fügt hinzu: „Die horizontal geteilten Ringe müssen nach dem Sintern in relativ engen Toleranzen für Ebenheit und Rundheit liegen, sonst kann dies mit dem nachfolgenden Schleifprozess aus technologischen Gründen nicht mehr korrigiert werden. Das ist aufgrund des Schrumpfungsprozesses von rund 20 % gar nicht so einfach zu erzielen. Eine Herausforderung stellten auch die Laval-Düsen dar, die ohne 3D-Drucker gar nicht hätten gefertigt werden können. Zusätzlich ist der gesamte Ring Helium-Leckdicht.“

Die Vorteile der neu entwickelten Metall-Keramik Verbundbaugruppe beschreibt Wampers so: „Unser Ring ist vier bis sechsmal haltbarer als die bisherige Lösung aus Titan. Außerdem verkürzt sich die Beschichtungszeit der Chips durch den Einsatz optimierter 3D-gedruckter Keramik-Düsen und der exakt vorberechneten und gleichmäßigen Strömungsverteilung auf ein Drittel.“

Trennkolonne, additiv gefertigt.

Haltbarer als Titan

Bislang korrodierten die eingesetzten Titanringe aufgrund der aggressiven Precursoren in der Regel schon nach kurzer Zeit. Die nicht optimierte Gasführung an den Auslässen der Ti-Version erzeugten zudem nur eine recht ungleichmäßige Beschichtung. Damit die Chip-Oberfläche überall die geforderte Mindestdicke erhielt, dauerte der Beschichtungsprozess bislang um den Faktor 3 länger.

Vor über fünf Jahren hat die Alumina Systems GmbH mit der additiven Fertigung begonnen. Vom Prototyp bis zur Serie werden dichte Keramikbauteile aus Aluminiumoxid 99,9 % und Zirkonoxid gefertigt. Ein großer Vorteil liegt darin, dass für dieses Verfahren keine Werkzeuge benötigt und damit Entwicklungskosten ein-gespart werden. Zudem wird die Reaktionszeit deutlich verkürzt. „Der größte Vorteil liegt jedoch darin, dass mit diesem Verfahren Bauteile hergestellt werden können, die mit keinem anderen Herstellungsverfahren wie Spritzgießen, Pressen oder Extrudieren möglich sind“, betont der Geschäftsführer. Speziell für die Millireaktionstechnik wurden von Alumina Systems verschiedenste keramische Lösungen entwickelt.

Messleiste.

Kundenindividuelle Lösungen

In den vergangenen sieben Jahren hat sich Alumina Systems immer mehr vom Anbieter standardisierter Bauteile – insbesondere von Halbleiter-Gehäusen – weg entwickelt. „Heute stehen bei Alumina Systems individuelle, gemeinsam mit dem Kunden entwickelte Lösungen als Keramik-Metall-Verbund im Vordergrund“, so Wampers.

Um dabei die Entwicklungszeit zu minimieren, setzt Alumina Systems die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Bauteilauslegung ein. Speziell zur Auslegung keramischer Komponenten steht ein bruchstatistischer Postprozessor zur Berechnung der Bauteilbruchwahrscheinlichkeit nach aktuellem Stand der Technik zur Verfügung. Es können schnell unterschiedliche Bauteildesigns miteinander verglichen und eine bereits spannungstechnisch optimierte Designvariante ausgewählt werden, bevor der erste Prototyp gebaut wird. Im Bereich der Additiven Fertigung wird mit diesem Verfahren der 3D-Druck selbst optimiert. Durch eine Verringerung der Anzahl der Prototypen ergibt sich eine Kosteneinsparung und Verkürzung von Bauzeiten um mehrere Wochen. „Demgegenüber stehen rund ein bis zwei Wochen für die Simulationszeit“, betont Wampers und ergänzt: „Die Kosten einer Simulation liegen jedoch oft deutlich unter den Werkzeugkosten eines Erstmusters“.

Sensorring.

Aus Lapp Insulators Alumina wird Alumina Systems

„Der neue Namen des Unternehmens ist die logische Konsequenz der vergangenen sieben Jahre, in denen wir die Eigenständigkeit des Unternehmens vorangetrieben haben“, unterstreicht Wampers. Im neuen Namen und einem neuen Firmenlogo soll die Kompetenz des Unternehmens zukünftig noch besser zum Ausdruck kommen. Um die Kernkompetenzen des Unternehmens besser zu symbolisieren, wurden für die einzelnen Sparten individuelle Logos eingeführt. Es sind dies: 3D-Systems, Battery-Systems, HVDC-Systems, Laser-Systems, Plasma-Systems, Sensor-Systems, Vacuum-Systems und X-Ray-Systems.

Für Standardteile gibt es darüber hinaus seit 2017 einen Webshop. Hier können online bereits über 160 Standard-Stromdurchführungen (schweißbar, 1-fach bis 4-fach mit CF- und KF-Flansch) bestellt werden. Über 600 weitere Standardprodukte – Vakuumisolatoren, Vakuumschaltrohre, 3D-gedruckte Keramiken sowie Sonderbauteile – werden in den nächsten Wochen ebenfalls online verfügbar sein.

formnext Halle 3.1, Stand J81