PAEK-Filamente im 3D-Druck

In der Welt des 3D-Drucks ist FDM/FFF seit einigen Jahren eine Materialfamilie, die vor allem die Familie PAEK (Polyaryletherketon oder Polyaryletherketon) deutlich hervorhebt. Die Materialien, die zu dieser Klasse gehören, sind teilkristalline Kunststoffe, die hohen Temperaturen (nahe 200 ºC) widerstehen und dabei hohe mechanische Widerstandswerte beibehalten.

Innerhalb der PAEK-Familie gibt es das PEEK, das PEKK und das PEI (ULTEM 1010 und ULTEM 9085). Alle diese haben eine hohe mechanische Festigkeit, chemische Beständigkeit und eine hohe Entflammbarkeitstemperatur.

PEEK-Filament (PolyEtherEtherKeton)

Das PEEK (PolyEtherEtherKetone) ist das kristallinste der drei Materialien. Dies weist darauf hin, dass es die höchsten Werte der mechanischen Festigkeit von allen hat (ohne Berücksichtigung von Legierungen mit Kohlefaser). Dies stellt jedoch ein Problem dar, da die Moleküle im festen Zustand einem sich wiederholenden Ordnungsmuster in den drei Dimensionen des Raums folgen und zum Zeitpunkt des Schmelzens instabiler sind. Dies impliziert selbst für erfahrene Benutzer mit fortschrittlichen 3D-Druckern eine große Schwierigkeit bei der Verwendung des PEEK-Filaments im 3D-Druck.

PEKK-Filament (PolyEtherKetonKeton)

PEKK (PolyEtherKetoneKetone) hat eine halbkristalline Struktur (weniger kristallin als PEEK). Diese Art von Struktur tritt auf, wenn ein Material zwei klar definierte Bereiche aufweist, einen amorphen und einen kristallinen. Diese strukturelle Bedingung bietet eine Erhöhung der Leichtigkeit des Druckens (geringere Kristallisationsrate) unter Beibehaltung ähnlicher Widerstandswerte und sogar höher als die von PEEK.

Das PEKK hebt sich gegenüber dem PEEK durch seine bis zu 80 % höhere Druckfestigkeit ab. Darüber hinaus ist dieser Filamenttyp chemisch beständig gegen eine Vielzahl von Flüssigkeiten:Halogenkohlenwasserstoffe (Benzol), Kfz-Flüssigkeiten (Kühlmittel), Alkohol und wässrige Lösungen (Meerwasser).

Anwendungen des PEKK

Die Verwendung von PEKK ist weit verbreitet, von der Medizin bis hin zu militärischen Anwendungen. Sein Potenzial ist so groß, dass sogar die NASA dieses Material in den 3D-Drucken verwendet, die sie im Weltraum erstellt. In der Medizin haben einige Entwicklungszentren Knie, Hüften und andere Arten von Funktionsimplantaten mit durchschlagendem Erfolg bei ihren Patienten entwickelt. Die Vereinigung all seiner Vorteile hat zur Entwicklung leichter, widerstandsfähiger und entspiegelter Militärhelme beigetragen, um nicht durch das von einer feindlichen Laterne ausgestrahlte Licht entdeckt zu werden. Schließlich verwenden große Luftfahrtunternehmen das PEKK, um Funktionsteile für ihre Flugzeuge herzustellen.

PEI-Filament (ULTEM 1010 und ULTEM 9085)

Das PEI (ULTEM 1010 und ULTEM 9085) ist das am stärksten modifizierte Material innerhalb der PAEK-Familie und wird von Experten auf diesem Gebiet sogar als Harz bezeichnet. Die Wärmebeständigkeit dieses Materials ist eine der höchsten im Bereich des 3D-Drucks FDM/FFF, mit einer Glasübergangstemperatur von 215 ºC und einer maximalen konstanten Arbeitstemperatur bei einem Druck von 0,45 MPa von 200 ºC

Der Vorteil von PEI ist, dass sich bei diesen Temperaturen die mechanischen Eigenschaften kaum ändern. Denn seine hohe Dimensionsstabilität behält die strukturelle Form auch bei Temperaturerhöhung bei, was bei den meisten bestehenden Materialien im 3D-FDM/FFF-Druck undenkbar ist.

Anwendungen des PEI

Der ULTEM 1010 wird häufig zur Herstellung von Kurzzeit-Spritzgusswerkzeugen, Kohlefaser-Laminierungswerkzeugen und anderen Arten von Formen verwendet, die hohen Druck- und Temperaturwerten ausgesetzt sind (Autoklav). Zu dieser Art von hochfesten Formen gehören diejenigen, die für den Vulkanisationsprozess von Kunststoffen wie Gummi verwendet werden. Dank PEI ULTEM 1010 können Formen schneller, einfacher und billiger hergestellt werden als aktuelle Stahlformen. Andererseits ist das ULTEM 9085 das Offenbarungsmaterial der Luftfahrtindustrie. Seine thermische Beständigkeit, chemische Beständigkeit, Bruchfestigkeit und hohe Leistung ermöglichen es diesem Material, die strengsten Prüf- und Rückverfolgbarkeitskriterien zu erfüllen, die von der Luft- und Raumfahrtindustrie und den Zulassungsbehörden der Zertifikate gefordert werden.

PEKK-Filament PEKK-CF-Filament Filamento-PEI PEI-CF-Filament

Ständige Innovation bei der Verbesserung von Materialien

Große Filamenthersteller wie das französische Nanovia haben den Markt revolutioniert, indem sie sowohl PEKK als auch PEI (ULTEM 1010) mit Kohlefaser verbessert haben. Kohlefaser ist ein pseudoamorphes Material, das diesen Materialien einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine langsamere Kristallisation bietet und die hohe Kristallisationstemperatur (Tg =160 ºC) beibehält, was sich in einer Erhöhung der Druckfreundlichkeit niederschlägt. Außerdem erhöht diese Verbindung auch die strukturelle Stabilität und verbessert die mechanischen Eigenschaften. Für all dies haben sich PEKK CF und PEI CF einen Platz in der Kategorie der leistungsstärksten und benutzerfreundlichsten Materialien innerhalb des 3D-Drucks FDM/FFF verdient. Darüber hinaus konkurrieren diese beiden Materialien allgemein mit den in der Maschinenbauindustrie am häufigsten verwendeten Thermoplasten (Polysulfone, Polyphenylensulfide und Polyketone).

Bild 2:PEI-CF. Quelle:Nanovia

Anforderungen für die Verwendung von PAEK-Materialien

Abschließend müssen wir erwähnen, dass die Verwendung dieser fortschrittlichen Materialien erfahrenen Benutzern mit fortschrittlichen 3D-Druckern vorbehalten ist. Die Mindestanforderungen, die ein 3D-FDM/FFF-Drucker erfüllen muss, um diese Materialien verwenden zu können, sind:Extrudertemperatur 370-400 ºC, Basistemperatur höher als 150 ºC, Kammertemperatur höher als 80 ºC. Diese Werte sind aufgrund der Empfindlichkeit der Strukturverformung in Kontakt mit Luftzonen bei unterschiedlichen Temperaturen dieser Materialien erforderlich.

Die abschließende Schlussfolgerung ist, dass alle Materialien der PAEK-Familie (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) dank ihrer hohen Entflammbarkeitstemperatur, ihrer chemischen Beständigkeit, ihrer mechanischen Beständigkeit und ihrer guten Festigkeit an der Spitze der industriellen Verwendung stehen /Gewichtsverhältnis.