Neue Schutzbeschichtung gegen Wasseraufnahme bei 3D-Nylon-Objekten

Forscher waren auf der Suche nach einer Lösung, um die Feuchtigkeitsaufnahme von Nylon nach dem 3D-Druck zu reduzieren und so die Festigkeit zu stärken. Eine Antwort fanden die Forscher schlussendlich in einer Schutzbeschichtung, hauptsächlich bestehend aus Polyurethan.

Der Fortschritt, welchen die 3D-Druckindustrie in den letzten Jahren erlebt hat, ist nicht zu übersehen. Doch trotz der vielen Innovationen und neuen 3D-Druck-Verfahren gibt es immer noch kleine Probleme, welche Lösungsvorschläge benötigen. Eines dieser Probleme stellt beispielsweise die Porosität von FDM-3D-Druck dar.

Zwar gilt FDM-3D-Druck als beliebtes 3D-Druckverfahren, jedoch weist dieses auch einige Schwächen auf. Die größte Schwäche besteht in der schlechten Haftung zwischen den gedruckten Schichten, welche zu winzigen Poren und somit zu einer geringeren Festigkeit führt. Eines der besten Materialien für dem FDM-3D-Druck stellt Nylon dar. Dieses bietet jedoch den Nachteil, dass es nach dem 3D-Druck dazu neigt, Flüssigkeiten zu absorbieren, was wiederum die Festigkeit und Steifigkeit verringert.

Nun nahm sich ein Forscher-Team diesem Problem an und untersuchte verschiedene Möglichkeiten, den absorbierenden Fähigkeiten von Nylon entgegenzuwirken. Die Forschung wurde bereits unter dem Titel “Fehleranalyse von mit Nylon beschichteten Kunststoffteilen” publiziert.

Im Rahmen der Untersuchungen konzentrierten sich die Forscher primär auf die Entwicklung einer Schutzschicht für aus Nylon 3D-gedruckte Objekte, um deren Porosität und Feuchtigkeitsaufnahme zu reduzieren. In der Hoffnung, neue Anwendungen für 3D gedruckte Teile aus Nylon zu eröffnen, testeten die Forscher neben der Wasseraufnahme ebenso die Stärke und Steifigkeit der Teile.

Die Forscher nutzten einen Mark Two 3D-Drucker des Unternehmens MarkForged, um zwei Proben für die Untersuchungen herzustellen. Eine der Proben wurde in weiterer Folge mit Polyurethan-Elastomer 10Excellent (bezeichnet als Exc) als Schutzbeschitung versehen, während die zweite Probe mit dem flüssigen Silikon Rubson SL 3000 (Rub) beschichtet wurde. Beide Nylon-Proben wurden nach der Beschichtung und Trocknung für jeweils 24 Stunden über einen in Wasser eingetauchten Filterpapierstapel platziert. Im Laufe der 24 Stunden wurde beide Objekte in periodischen Abständen aus dem Wasser entfernt und gewogen. Weiters führten die Forscher Kompressions- und Spannungstests durch.

“Obwohl Silikon gegenüber Polyamid eine gute Witterungsbeständigkeit aufweist, wurde festgestellt, dass das Rub-Produkt schlecht an Polyamid haftet”, erklären die Forscher. “Das Polyurethan-Exc-Produkt zeigte viel bessere Wasserabsorption im Vergleich mit Rub-Produkt. Es ist bekannt, dass reines Nylon mit einer polaren Struktur Feuchtigkeit anzieht, wenn es sich mit Wasserstoffmolekülen verbindet. Jedoch führt Polyamid in Gegenwart von Polyurethan dazu, dass unter den Beschichtungsmolekülen eine Wasserstoffbindung stattfindet, was die Wasserabsorption verringert.”

Weiters erklären die Forscher, dass die Polyurethan-Beschichtung aufgrund der Wasserstoffbrücken zwischen Polyamid und Polyurethan als Weichmacher wirkt und somit Materialeigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit beeinflusst.

“Diese Ergebnisse zeigen, dass die Beschichtung von FDM-Teilen mit Produkten auf Polyurethanbasis eine neue Möglichkeit darstellt, Polyamidteile mit verbesserten Wasserabsorptionseigenschaften zu erhalten, die zu einer großen Bandbreite von Anwendungen beitragen könnten”, schlussfolgern die Forscher. “Obwohl die mit Polyurethan beschichteten Nylonproben eine Abnahme der Festigkeit und Steifigkeit aufwiesen, zeigen sie immer noch akzeptable mechanische Eigenschaften für nicht lasttragende Anwendungen mit einer wesentlichen Verringerung der Wasserabsorptionseigenschaften.”