PAEK-Filamente: Hochleistungsmaterialien für den 3D-Druck

Im Bereich des 3D-Drucks (FDM/FFF) hat sich in den letzten Jahren eine Materialfamilie klar herauskristallisiert: PAEK (Polyaryletherketon). Diese halbkristallinen Kunststoffe widerstehen Temperaturen von nahezu 200 °C, während sie hohe mechanische Festigkeitswerte beibehalten.

PEEK-Filament (Polyetheretherketon)

PEEK ist der am stärksten kristalline Werkstoff der drei. Das bedeutet, er weist die höchsten mechanischen Festigkeitswerte auf (ohne Berücksichtigung von Kohlefaser-Verbunden). Doch diese hohe Kristallinität birgt ein Problem: Da die Moleküle im festen Zustand einem sich in allen drei Raumdimensionen wiederholenden Ordnungsmuster folgen, ist das Material beim Schmelzen instabiler. Das macht den 3D-Druck mit PEEK-Filament selbst für erfahrene Anwender mit High-End-Druckern extrem anspruchsvoll.

PEKK-Filament (Polyetherketonketon)

PEKK besitzt eine teilkristalline Struktur (weniger kristallin als PEEK). Diese Struktur entsteht, wenn ein Material zwei klar definierte Bereiche aufweist – einen amorphen und einen kristallinen. Diese Eigenschaft erleichtert das Drucken (geringere Kristallisationsrate) bei Erhalt ähnlicher oder sogar höherer Festigkeitswerte als PEEK.

PEKK übertrifft PEEK bei der Druckfestigkeit um bis zu 80 %. Zudem zeigt dieses Filament eine chemische Beständigkeit gegenüber einer enormen Bandbreite an Flüssigkeiten: halogenierte Kohlenwasserstoffe (Benzin), Kfz-Flüssigkeiten (Kühlmittel), Alkohole und wässrige Lösungen (Meerwasser).

Anwendungen von PEKK

Der Einsatz von PEKK ist weit verbreitet – von der Medizintechnik bis zu militärischen Anwendungen. Sogar die NASA nutzt diesen Werkstoff für 3D-Drucke im Weltraum. In der Medizin haben Entwicklungszentren funktionale Implantate wie Knie- und Hüftgelenke mit großem Erfolg bei Patienten eingesetzt. Die Kombination aller Vorteile ermöglicht die Entwicklung leichter, widerstandsfähiger und antireflektierender Militärhelme, um eine Entdeckung durch Feindlicht zu vermeiden. Große Luftfahrtunternehmen fertigen mit PEKK funktionale Bauteile für ihre Flugzeuge.

PEI-Filament (ULTEM 1010 und ULTEM 9085)

PEI (ULTEM 1010 und ULTEM 9085) ist der am stärksten modifizierte Werkstoff innerhalb der PAEK-Familie, von Experten teils sogar als Harz bezeichnet. Die thermische Beständigkeit dieses Materials zählt zu den höchsten im FDM/FFF-3D-Druck: Glasübergangstemperatur von 215 °C und maximale Dauereinsatztemperatur unter 0,45 MPa Druck von 200 °C.

Der Vorteil von PEI: Bei diesen Temperaturen ändern sich die mechanischen Eigenschaften kaum. Die exzellente Dimensionsstabilität bewahrt die strukturelle Form auch bei Temperaturerhöhung – bei den meisten FDM/FFF-Materialien undenkbar.

Anwendungen von PEI

ULTEM 1010 wird häufig für Spritzgusswerkzeuge mit kurzen Zykluszeiten, Kohlefaser-Laminierwerkzeuge und andere Formen eingesetzt, die hohen Drücken und Temperaturen standhalten müssen (Autoklav). Dazu gehören Formen für die Vulkanisation von Kunststoffen wie Gummi. Dank PEI ULTEM 1010 lassen sich Formen schneller, einfacher und kostengünstiger herstellen als herkömmliche Stahlformen. ULTEM 9085 hingegen ist das Enthüllungsmaterial der Luftfahrtindustrie. Seine thermische Beständigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Bruchfestigkeit und hohe Leistung erfüllen die strengsten Prüf- und Rückverfolgbarkeitskriterien der Luft- und Raumfahrt sowie der Zertifizierungsbehörden.

PEKK Filament PEKK CF Filament Filamento PEI PEI CF Filament

Kontinuierliche Innovation bei der Materialverbesserung

Große Filamenthersteller wie das französische Unternehmen Nanovia haben den Markt revolutioniert, indem sie sowohl PEKK als auch PEI (ULTEM 1010) mit Kohlefaser optimierten. Kohlefaser ist ein pseudo-amorphes Material, das diesen Werkstoffen einen niedrigeren Schmelzpunkt, eine langsamere Kristallisation und den Erhalt der hohen Kristallisationstemperatur (Tg = 160 °C) verleiht – was die Druckbarkeit deutlich erhöht. Zudem verbessert diese Kombination die strukturelle Stabilität und mechanischen Eigenschaften. Aus all diesen Gründen haben sich PEKK CF und PEI CF einen Platz in der Kategorie der leistungsstärksten und gleichzeitig einfach zu verarbeitenden Materialien im FDM/FFF-3D-Druck gesichert. Darüber hinaus konkurrieren diese beiden Materialien allgemein mit den in der Ingenieursindustrie am häufigsten eingesetzten Thermoplasten (Polysulfone, Polyphenylensulfide und Polyketone).

Bild 2: PEI CF. Quelle: Nanovia

Anforderungen für den Einsatz von PAEK-Materialien

Abschließend sei erwähnt, dass der Einsatz dieser High-Tech-Materialien erfahrenen Anwendern mit fortschrittlichen 3D-Druckern vorbehalten ist. Die Mindestanforderungen an einen FDM/FFF-3D-Drucker für diese Materialien sind: Extrudertemperatur 370–400 °C, Betttemperatur über 150 °C, Kammertemperatur über 80 °C. Diese Werte sind aufgrund der Empfindlichkeit dieser Materialien gegenüber struktureller Verformung bei Kontakt mit Luftzonen unterschiedlicher Temperatur notwendig.

Das Fazit: Alle der PAEK-Familie angehörenden Materialien (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) stehen an der Spitze industrieller Anwendungen – dank ihrer hohen Entflammbarkeitstemperatur, Chemikalienbeständigkeit, mechanischen Festigkeit und ihres hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses.