PAEK-Filamente im 3D-Druck

In der Welt des FDM/FFF-3D-Drucks gibt es eine Materialfamilie, die sich deutlich von allen anderen abhebt: die PAEK-Familie (Polyaryletherketon oder Polyaryletherketonetherketon). Die zu dieser Klasse gehörenden Materialien sind teilkristalline Kunststoffe, die hohe Temperaturen (ca. 200 ºC) bei gleichzeitig hohen mechanischen Festigkeitswerten aushalten.

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

PEEK (PolyEtherEtherKeton) Filament

PEEK (PolyEtherEtherKeton) ist das kristallinste der drei Materialien. Das bedeutet, dass es die höchsten mechanischen Festigkeitswerte von allen hat (ohne Berücksichtigung der mit Kohlenstofffasern legierten). Dies stellt jedoch ein Problem dar, denn da die Moleküle im festen Zustand einem sich wiederholenden Anordnungsmuster in den drei Raumdimensionen folgen, ist es instabiler, wenn es zum Schmelzen kommt. Dies bedeutet, dass die Verwendung von PEEK-Filament im 3D-Druck selbst für erfahrene Benutzer mit fortschrittlichen 3D-Druckern sehr schwierig ist.

Filamento PEKK (PolyEtherKetonKeton)

PEKK (PolyEtherKetonKeton) hat eine teilkristalline Struktur (weniger kristallin als PEEK). Diese Art von Struktur tritt auf, wenn ein Material zwei klar definierte Bereiche hat, einen amorphen und einen kristallinen. Dieser Strukturzustand bietet eine bessere Druckbarkeit (langsamere Kristallisationsgeschwindigkeit) bei ähnlichen oder sogar höheren Festigkeitswerten als PEEK.

PEKK zeichnet sich gegenüber PEEK durch eine um bis zu 80 % höhere Druckfestigkeit aus. Darüber hinaus hat diese Art von Filament eine chemische Beständigkeit gegen eine große Anzahl von Flüssigkeiten: Halogenkohlenwasserstoffe (Benzol), Automobilflüssigkeiten (Kühlmittel), Alkohol und wässrige Lösungen (Meerwasser).

PEKK-Anwendungen

PEKK ist weit verbreitet, von der Medizin bis hin zu militärischen Anwendungen. Sein Potenzial ist so groß, dass sogar die NASA dieses Material für den 3D-Druck im Weltraum verwendet. In der Medizin haben einige Entwicklungszentren Knie, Hüften und andere Arten von funktionellen Implantaten mit durchschlagendem Erfolg bei ihren Patienten geschaffen. Die Vereinigung all ihrer Vorteile hat zur Entwicklung leichter, widerstandsfähiger und entspiegelter Militärhelme beigetragen, um zu verhindern, dass sie durch das Licht einer gegnerischen Taschenlampe entdeckt werden. Schließlich verwenden große Luftfahrtunternehmen PEKK zur Herstellung von Funktionsteilen für ihre Flugzeuge.

Filamento PEI (ULTEM 1010 Y ULTEM 9085)

PEI (ULTEM 1010 und ULTEM 9085) ist das am meisten modifizierte Material innerhalb der PAEK-Familie, das von Fachleuten sogar als Harz bezeichnet wird. Die thermische Beständigkeit dieses Materials ist eine der höchsten im FDM/FFF-3D-Druckbereich. Es hat eine Glasübergangstemperatur von 215 ºC und eine maximale Arbeitstemperatur von 200 ºC bei einem konstanten Druck von 0,45 MPa.

Der Vorteil von PEI ist, dass sich bei diesen Temperaturen die mechanischen Eigenschaften kaum verändern. Das liegt daran, dass seine hohe Dimensionsstabilität die strukturelle Form auch bei höheren Temperaturen beibehält, was bei den meisten bestehenden Materialien im FDM/FFF-3D-Druck undenkbar ist.

PEI-Anwendungen

ULTEM 1010 wird häufig zur Herstellung von Kurzzeit-Spritzgießwerkzeugen, Kohlefaser-Laminierwerkzeugen und anderen Arten von Formen verwendet, die hohen Druck- und Temperaturwerten ausgesetzt sind (Autoklav). Zu dieser Art von hochbeständigen Formen gehören solche, die für den Vulkanisierungsprozess von Kunststoffen, wie z. B. Gummi, verwendet werden. Dank PEI ULTEM 1010 können Formen schneller, einfacher und kostengünstiger hergestellt werden als die bisherigen Stahlformen. Auf der anderen Seite ist ULTEM 9085 das Material der Wahl für die Luftfahrtindustrie. Dank seiner Wärmebeständigkeit, chemischen Beständigkeit, Reißfestigkeit und hohen Leistungsfähigkeit erfüllt dieses Material die strengsten Prüf- und Rückverfolgbarkeitskriterien, die von der Luft- und Raumfahrtindustrie und den Zertifizierungsbehörden gefordert werden.

Kontinuierliche Innovation bei der Verbesserung von Materialien

Große Filamenthersteller wie die französische Nanovia haben den Markt revolutioniert, indem sie sowohl PEKK als auch PEI (ULTEM 1010) mit Kohlefaser veredelt haben. Kohlefaser ist ein pseudo-amorphes Material, das diesen Materialien einen niedrigeren Schmelzpunkt und eine langsamere Kristallisation verleiht und die Kristallisationstemperatur hoch hält (Tg= 160 ºC), was sich in einer besseren Bedruckbarkeit niederschlägt. Darüber hinaus erhöht diese Verbindung auch die strukturelle Stabilität, wodurch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Aus all diesen Gründen haben sich PEKK CF und PEI CF einen Platz in der Kategorie der leistungsfähigsten und am einfachsten zu handhabenden Materialien im FDM/FFF-3D-Druck verdient. Darüber hinaus konkurrieren diese beiden Materialien auf einer allgemeinen Ebene mit den am häufigsten verwendeten Thermoplasten in der technischen Industrie (Polysulfone, Polyphenylensulfide und Polyketone).

Bild 2: PEI CF. Quelle: Nanovia

Anforderungen für den Einsatz von PAEK-Materialien

Abschließend müssen wir anmerken, dass die Verwendung dieser fortschrittlichen Materialien für erfahrene Anwender mit 3D-Druckern mit fortschrittlicher Technologie ist. Die Mindestanforderungen, die ein FDM/FFF-3D-Drucker haben muss, um diese Materialien zu verwenden, sind: Extrudertemperatur 370-400 ºC, Basistemperatur höher als 150 ºC, Kammertemperatur höher als 80 ºC. Diese Werte sind aufgrund der Empfindlichkeit der Strukturverformung im Kontakt mit Luftzonen bei unterschiedlichen Temperaturen dieser Materialien notwendig.

Abschließend lässt sich sagen, dass alle Werkstoffe der PAEK-Familie (PEEK, PEKK, PEI, PEKK CF, PEI CF) aufgrund ihrer hohen Entflammbarkeitstemperatur, der chemischen Beständigkeit, der mechanischen Festigkeit und des guten Festigkeits-/Gewichtsverhältnisses an der Spitze der industriellen Anwendung stehen.