Erschließen Sie die Möglichkeiten des 3D-Drucks mit PAEK-Polymeren

Jul 20, 2023

Teile diesen Artikel

Seit der explosionsartige Aufschwung von Hochtemperatur-Materialextrusions-3D-Druckern ist Polyaryletherketon (PAEK) die Polymerfamilie in aller Munde. Dies ist zu einem großen Teil dem britischen Unternehmen für fortschrittliche Materialien Victrex zu verdanken, einem traditionsreichen Hersteller langlebiger, hitze- und chemikalienbeständiger Kunststoffe, der mit der Entwicklung 3D-druckbarer Varianten begonnen hat. (In diesem Artikel werden wir nicht zwischen PAEK und der weit verbreiteten Unterart „PEEK“ unterscheiden, aber Sie können sich hier über diese Unterschiede informieren.)

Auf der Konferenz der Additive Manufacturing Users Group (AMUG) 2023 hatten wir die Möglichkeit, mit Robert McKay, Leiter New Business Development bei Victrex, zu sprechen, um zu erfahren, wie sich die Bemühungen des Unternehmens im Bereich der additiven Fertigung (AM) in einem wesentlichen Teil seiner Geschäftstätigkeit weiterentwickelt haben Geschäft und die Entwicklung von LMPAEK-Polymer für alle Arten von 3D-Druckverfahren und -anwendungen.

McKay kam 2014 zu Victrex, um das Team für neue Technologien zu leiten, gerade als der Bereich AM zu einem Interessengebiet für Victrex wurde. Angesichts des allgemeinen Erfolgs des 3D-Drucks für die Abteilung stand der Bedarf der Branche an einem PAEK-basierten Filament, das für den 3D-Druck optimiert ist, ganz oben auf der Liste der Aktivitäten des aufstrebenden Technologieteams. Der Schlüssel dazu, dass PAEK für PBF und anschließend für die Materialextrusion geeignet ist, bestand darin, es so umzuformulieren, dass es eine niedrigere Schmelztemperatur und Kristallisationsgeschwindigkeit aufweist.

„Victrex LMPAEK-Polymer ist eigentlich ein modifiziertes PEEK-Polymer mit einer etwas anderen Konstruktion, die das Kristallisationsverhalten des PEEK-Polymers in AM verändert, um eine bessere Leistung in diesen Prozessen zu erzielen“, erklärte McKay. „Die meisten unserer Aktivitäten im Bereich der additiven Fertigung basieren also auf dieser LMPAEK-Polymertechnologie.

Die Technologie wurde aus der Arbeit von Victrex im Bereich der geschichteten Verbundwerkstoffkonstruktion mit automatisiertem Bandaufbau und automatisiertem Faseraustausch unter Verwendung von VICTREX AE 250 UDT abgeleitet, das ebenfalls auf LMPAEK-Polymer basiert, wobei die Prozesstemperatur von PEEK um 40 °C gesenkt wird und die Herstellung von Verbundstrukturen schneller und schneller erfolgt effizienter ohne Einbußen bei den Leistungseigenschaften. Bei diesen Verbundwerkstoffprozessen sind die Bedingungen, denen das Polymer ausgesetzt ist, ganz anders als beim Spritzgießen.

„Beim Spritzgießen gibt es eine Umgebung mit hohem Druck und hoher Temperatur, in der das Polymer stark beansprucht wird und sich dadurch auf eine bestimmte Weise verhält. Beim Drucken ist es einfach, sobald es die Düse verlässt.“ Es fließt im Freien, nachdem die Schmelze die Düse verlassen hat. Daher brauchten wir ein Polymer, das in dieser Freiluftumgebung mit sehr geringer Scherung gut fließt, und das ist einer der Vorteile des LMPAEK-Polymers.

Obwohl es bei einer niedrigeren Schmelztemperatur verarbeitet werden kann, ist die Zersetzungstemperatur des LMPAEK-Polymers mit der von PEEK vergleichbar, sodass das Material ein um 40 °C breiteres Verarbeitungsfenster aufweist, was mehr Flexibilität bei den Druckprofileinstellungen bietet. Es kann bei niedrigeren Temperaturen als PEEK oder bei denselben Temperaturen gedruckt werden, um bei starken und komplizierten Teilen noch höhere Durchflussraten aus der Düse zu erzielen. Darüber hinaus bietet das Material als PEEK-basiertes Copolymer immer noch die gleiche Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und nahezu die gleiche chemische Beständigkeit wie eine hochschmelzende PEEK-Variante.

McKay räumt ein, dass es trotz der Vorteile von LMPAEK-Polymeren beim Drucken immer noch Anwender gibt, die auf die Vorteile von LMPAEK-Polymeren gegenüber herkömmlichem PEEK verzichten, weil es bereits die gesetzlichen Anforderungen erfüllt hat. Er erklärte, dass diese Drucker immer noch hohe Kammertemperaturen verwenden müssen, um die Kristallisation zu verlangsamen und stabile Teile zu erhalten. Am sinnvollsten wäre dies beispielsweise bei medizinischen Anwendungen, wo spritzgegossenes PEEK bereits für Implantate und Geräte zugelassen ist. Aus diesem Grund stellt die Tochtergesellschaft von Victrex, Invibio, PEEK-OPTIMA LT1 PEEK-Filament für medizinspezifische PAEK-3D-Drucker bereit und druckt das Material am oberen Ende seines Verarbeitungsfensters.

Ein weiteres medizinisches Beispiel ist ein Gemeinschaftsprojekt mit Bond3D in den Niederlanden. Bond3D stieß bei Victrex auf so großes Interesse, dass das britische Unternehmen das Startup finanziell unterstützte, um die nächste Generation poröser Wirbelsäulenkäfige mithilfe dieser Technologie zu entwickeln. Bond3D unterscheidet seine Technologie von FDM durch die Verwendung von PEEK-Stäben, die in einer Hochtemperatur-Baukammer im Wesentlichen gleichmäßig in alle Richtungen verschmolzen werden. Dies bedeutet, dass isotrope Teileeigenschaften, auch entlang der Z-Achse, ein Hindernis für AM im Allgemeinen und FDM im Besonderen darstellen.

Ein Kühlverteiler, der von Bond3D für den 3D-Druck neu gestaltet wurde, um das Gewicht zu reduzieren und den Durchfluss zu optimieren. Bild mit freundlicher Genehmigung von Bond3D.

VICTREX AM 450 PEEK-Filament ist auch für industrielle Anwendungen auf ähnlichen Maschinen mit sehr hohen Kammertemperaturen erhältlich. McKay weist darauf hin, dass neben medizinischen Implantaten auch Technologien wie Bond3D, die das Drucken mit PEEK ermöglichen, für Kunden von Nutzen sind, die gedruckte PEEK-Teile den extremsten Umgebungen aussetzen möchten. Obwohl das LMPAEK™-Polymer nahezu identisch mit der hochschmelzenden Variante ist, bietet es nur in den extremsten Fällen eine etwas geringere chemische Beständigkeit. Bei Bohrlochanwendungen in der Öl- und Gasindustrie tendieren Benutzer angesichts der anspruchsvollen Umgebung eher zu dieser Variante. In solchen Situationen sind Hochtemperaturdrucker wie Bond3D erforderlich, um PEEK für Öl und Gas in den korrosivsten Umgebungen zu verwenden. Beispielteile sind Ölpumpengehäuse, Ringe und Dichtungen.

Für alle anderen Anwendungen, einschließlich Luft- und Raumfahrtanwendungen, bei denen LMPAEK-Polymer bereits in Verbundform verwendet wird, kann LMPAEK-Polymer bei einer niedrigeren Schmelz- und Kammertemperatur gedruckt werden, was die Bedruckbarkeit erleichtert und die Belastung der Maschine verringert.

Im Gegenzug konnte Victrex eine völlig neue Welt für eines der leistungsstärksten Polymere der Welt eröffnen. Zuletzt geschah dies durch die Veröffentlichung des VICTREX AM 200-Filaments von Victrex für Fused Deposition Modeling (FDM). Mehrere Maschinenhersteller unterstützen das Material bereits, darunter Intamsys, 3DGence, 3NTR, AON3D und Zortrax. Stratasys hat außerdem die bevorstehende Unterstützung für VICTREX AM™ 200 auf seinem 450MC-Drucker angekündigt, da das Unternehmen Materialien von Drittanbietern zu seinem Ökosystem hinzufügt.

Komplexer Aero-ECS-Kanal, gedruckt mit FDM-Technologie aus Victrex AM 200-Material. Bild mit freundlicher Genehmigung von Stratasys.

Drei Bereiche, in denen PEEK des Unternehmens bisher nur schwer eingesetzt werden konnte, sind großformatige AM, 3D-Druck mit löslichen Trägern und das Drucken starker kristalliner Teile in Maschinen mit niedriger Kammertemperatur. Im ersteren Fall ist es unpraktisch, großformatige 3D-Drucker auf die Werte zu erhitzen, die für hochschmelzende PEEK-Varianten erforderlich sind. Im letzteren Fall hält das verfügbare lösliche Trägermaterial einer solchen Umgebung jedoch nicht stand. Schließlich führen die langsamer kristallisierenden VICTREX AM 200-Filamente zu einer stärkeren Zwischenschichthaftung, wenn sie amorph in kälteren Kammern gedruckt werden, behalten aber ihre Form beim Tempern zu kristallin besser bei als amorphe PEKK-Varianten. McKay erklärt, dass das VICTREX AM 200-Material „die einfache Druckbarkeit von amorphem PEKK, die Leistungsfähigkeit kristalliner PEKK- und PEEK-Varianten und die Designflexibilität der Verwendung löslicher Träger aufweist, die bei Polymeren mit geringerer Leistung üblich sind.“

Mit LMPAEK-Polymer ist es möglich, dass diese Bereiche von der Leistungsfähigkeit von PAEK profitieren. Für den großformatigen 3D-Druck kann man sich große Rohrdichtungen für Öl und Gas oder Formen für Verbundteile für die Luft- und Raumfahrt vorstellen, die extremen Verarbeitungstemperaturen ausgesetzt sind. Für lösliche Träger bedeutet dies, dass die geometrischen Möglichkeiten der additiven Fertigung tatsächlich voll ausgenutzt werden können, einschließlich komplexer, beweglicher Baugruppen, die in einem einzigen Arbeitsgang in 3D gedruckt werden.

Bei der Erörterung eines so hochbelastbaren Polymers wie PAEK stellt sich möglicherweise die Frage, welche Rolle es in einer umweltbewussten und ressourcenbeschränkten Umgebung spielen wird. Da die Welt auf erneuerbare Energien umsteigt, wird Erdöl in der chemischen Industrie eine immer geringere Rolle spielen müssen. Dies gilt insbesondere, da die Grenzen leicht zugänglicher Ölvorräte immer offensichtlicher werden.

McKay stellte klar, dass nur weil PAEK ein so robustes Material ist, das nicht bedeutet, dass es mit Petrochemikalien hergestellt werden muss.

„Alle diese Polymere werden aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffmolekülen hergestellt. Sie können diese Moleküle aus Bioressourcen oder Öl herstellen. Öl ist eine Bioressource, die versteinert wurde. Sie können also den Fossilisierungsschritt einfach überspringen und direkt zu erneuerbaren Bioressourcen übergehen.“ Und das passiert bereits. Und wenn die Industrie diese Infrastruktur aufbaut, werden wir davon profitieren und die Menschen werden in der Lage sein, diese biobasierten Kohlenwasserstoffressourcen zu beschaffen und ihre eigenen Polymere herzustellen, genau wie wir.“

Mit anderen Worten: PAEK wird in absehbarer Zeit nirgendwo hingehen. Da AM zu einer der wichtigsten Technologien für die Energiewende wird, müssen die Rohstoffe, auf denen die Technologie basiert, einen eigenen Wandel durchlaufen, werden aber weiterhin weitgehend verfügbar sein. Und wenn ein Unternehmen wahrscheinlich an dieser Entwicklung beteiligt sein wird, dann Victrex.

Bleiben Sie über alle Neuigkeiten aus der 3D-Druck-Branche auf dem Laufenden und erhalten Sie Informationen und Angebote von Drittanbietern.

Teile diesen Artikel

Siemens Energy und DNV automatisieren die Qualitätskontrolle und Zertifizierung des 3D-Metalldrucks

Was wir über die Dental-3D-Druckbranche wissen, wird sich bald ändern

3D-Design

3D-gedruckte Kunst

3D-gedrucktes Essen

3D-gedruckte Waffen

Am 1. Juni eröffnete TPM, ein Unternehmen für Digitalisierungslösungen mit Sitz in Greenville, South Carolina, sein neues Additive Manufacturing (AM) Lab, ebenfalls in Greenville. TPM verkauft Hardware, Software und Materialien für...

In der Zusammenfassung dieser Woche macht Stratasys einige Stationen auf seinem Roadtrip und die TCT 3Sixty findet in Birmingham statt. Es gibt auch Webinare zum Thema Automotive 3D-Druck, Elektronik...

Siehe das Update am Ende dieses Artikels. In einer der wohl größten Nachrichtenwochen der 3D-Druckbranche meldet sich der Pionier der additiven Fertigung (AM) 3D Systems (NYSE: DDD)...

Heute sprechen wir über alle Fusionsmöglichkeiten, die Desktop Metal, Stratasys, Nano Dimension und 3D Systems bieten. Es scheint, als ob die meisten Leute in dieser Branche öffentlich sagen ...

Laden Sie Ihre 3D-Modelle hoch und lassen Sie sie schnell und effizient drucken.

Site-Sponsor

Veranstaltungen

Additive Fertigungsstrategien

Networking & Intelligence Summit, 6.–8. Februar 2024

Arbeitsplätze

3D-Druckaufträge auf der ganzen Welt.

Abonnieren Sie unseren E-Mail-Newsletter

Bleiben Sie über alle Neuigkeiten aus der 3D-Druck-Branche auf dem Laufenden und erhalten Sie Informationen und Angebote von Drittanbietern.

3D-Druckanleitungen