Hochleistungspolymere im Kontext 3D-Druck

In der Welt der industriellen Fertigung lassen sich zahlreiche Materialien aus den verschiedenen Werkstoffklassen finden. Einen prominenten Platz nehmen dabei Kunststoffe ein.

Der Vorteil vieler Polymere ist dabei, dass sie sich mit mehreren Fertigungsverfahren verarbeiten lassen und sie mit unterschiedlichen Materialeigenschaften versehen sind. In der industriellen Fertigung spielen vor allem die Hochleistungspolymere wie Thermoplaste eine entscheidende Rolle. Dank ihren hohen Temperaturbeständigkeiten lassen sich diese Werkstoffe in zahlreichen anspruchsvollen Anwendungen verwenden, z.B. in Motoren und Getrieben. Weitere Eigenschaften wie chemische Stabilität, geringer Verschleiß bei andauernder Belastung und hohe Zugfestigkeiten sorgen für weitreichende Anwendungsgebiete in der Automobilbranche, Luft- & Raumfahrt oder der Öl- und Gasindustrie. Dank dieser Eigenschaften bieten sich diese technischen Polymere auch als Alternative zu Metallen an. Dadurch kann zum einen die Leistung von Maschinen, in Hinsicht auf Gewichteinsparung und daraus resultierender höherer Geschwindigkeit oder geringerem Verbrauch, gesteigert werden. Zum anderen bieten diese Polymere zusätzliche Eigenschaften welche bei Metallen fehlen. Ein Beispiel liefern hier Teile aus dem thermoplastischen Polymer Polyetheretherketon (PEEK) als Ersatz für metallische Zahnräder in Motoren. Zahnräder aus PEEK benötigen deutlich weniger Schmiermittel als seine Pendants aus Metall, dadurch lassen sich Wartungsintervalle verlängern und somit Kosten sparen, da Teile seltener ausgetauscht werden müssen.

Aufgrund der herausragenden Eigenschaften haben diese Materialien einen entsprechenden Preis, den es bei Betrachtung als Alternative für metallische Werkstoffe einzubeziehen gilt. Dabei sollte abgewogen werden, ob sich die gesteigerte Leistung bzw. die Kosteneinsparung durch geringere Wartungskosten mit einem höheren Materialpreis rechnet. Es ist ratsam auch entsprechende innovative Fertigungsmethoden mit zu betrachten, die thermoplastische Polymere verarbeiten können und dabei effektiver arbeiten als klassische Fertigungsverfahren. Die Rede ist hier von Additive Manufacturing (AM). AM, auch generative Fertigung oder 3D-Druck genannt, bezeichnet Verfahren, welche ein Bauteil durch Auftragen bzw. Hinzufügen von Material herstellen. Dem gegenüber stehen die sonst klassischen, abtragenden Verfahren, bei welchen Material von einem Halbzeug entfernt wird. Die klassischen Verfahren haben demnach deutlich höhere Materialkosten für dasselbe Bauteil. Eines der 3D-Druck-Verfahren, welches äußerst materialsparend arbeitet, ist das Fused Filament Fabrication (FFF). Bei diesem wird der Werkstoff als eine Art Kunststoffstrang, dem Filament, durch eine Düse geschmolzen und so in verschiedenen Schichten zum Bauteil durch Auftragen auf der Bauplattform aufgebaut. Dieses Verfahren ermöglicht, neben der materialsparenden Arbeitsweise, zudem neue, komplexere Geometrien im Vergleich zu abtragenden Verfahren. So sind bspw. Bauteile mit Überhängen oder solche in Leichtbauweise mit Hilfe von Wabenstrukturen deutlich einfacher zu realisieren. Ein Beispiel zeigt Abbildung 1.

Die reinen Materialkosten des hier verwendeten PEEK belaufen sich, bei einer Abmessung von 10 x 45 x 115 mm und 100% Infillrate, auf 12,90 €. Im Vergleich dazu kostet eine Platte aus PEEK mit den gleichen Maßen ca. 15,30 €, 18% höhere Materialkosten pro hergestelltem Teil. Zudem gilt hier zu bedenken, dass die gezeigte Wabenstruktur mit abtragenden Verfahren kaum bis nicht möglich herzustellen ist und die laufenden Kosten, wie Verschleiß der Werkzeuge und Instandhaltung, höher als bei einem FFF basierten 3D-Drucker sind, welcher als einziges Werkzeug die Schmelzdüse verwendet. Gerade bei einem sehr beständigen und schwer zu bearbeitendem Werkstoff wie PEEK müssen die Werkzeuge, bspw. Fräsköpfe, entsprechend oft getauscht werden. Einzig die aktuell langen Herstellungszeiten mit dem Fused Filament Fabrication Verfahren verhindern einen serienreifen Einsatz von 3D-Druckern in der Fertigung. Dem Einsatz zu Spezialanfertigungen, Prototypen oder im Bereich der F&E steht allerdings nichts im Weg. Zumal abtragende Verfahren, je nach Geometrie des Bauteils, Verfügbarkeit des Halbzeuges und speziell angefertigten Einspannvorrichtungen auch lange Fertigungszeiten in Anspruch nehmen können. Hier spielt wiederum der 3D-Druck seine Stärken aus, der Herstellungsprozess kann sofort begonnen werden, sobald das Bauteil designt wurde, es werden keine zeitraubenden Vorbereitungsschritte benötigt.