Das richtige Material für Ihre spezifische additive Fertigungsanwendung verbessert die Druckeigenschaften erheblich.
Das richtige Material für Ihre spezifische additive Fertigungsanwendung verbessert die Druckeigenschaften erheblich. Die CEAD Group entwickelt und liefert nicht nur Großformatdrucklösungen, sondern berät auch Organisationen bei der Verwendung des richtigen Materials. Dieser Artikel führt Sie durch den Prozess der Auswahl des richtigen Materials für Ihren 3D-Druck. Die Anzahl der verfügbaren Materialien nimmt ständig zu. Wie bestimmen Sie das beste Material für Ihre Anwendung?
THERMOPLASTISCHE GEGENÜBER DURCHGEHÄRTETEN MATERIALIEN
Dieser Artikel befasst sich mit dem 3D-Großformatdruck. Für den Druck im mittleren und Desktop-Format werden sowohl thermoplastische als auch duroplastische Materialien verwendet. Für die großformatige additive Fertigung (LFAM) sind thermoplastische Materialien die einzige praktikable Option.
Thermoplastische Polymere können mehrmals geschmolzen und neu geformt werden. Im Gegensatz zu duroplastischen Polymeren vernetzen sich diese Polymere nicht. Thermoplastische Polymere haften durch Polymerkettenverschlingungen, „Van-der-Waals-Kräfte“ und Wasserstoffbrückenbindungen aneinander. Diese Eigenschaft macht thermoplastische Polymere zum perfekten Material für nachhaltige Anwendungen, da sie recycelt und erneut gedruckt werden können.
45-Grad-Druckstrategie mit unserem hybriden Flexbot für 3D-Druck und Nachbearbeitung. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Teil auf dem Druckbett neu zu positionieren, und Produktionsprozesse können automatisiert werden.
1: WÄHLEN SIE DEN RICHTIGEN POLYMERTYP FÜR IHREN DRUCK AUS
Der erste Schritt bei der Auswahl des richtigen Materials ist die Auswahl des richtigen Basispolymers. Wie immer beeinflusst die Anwendung des Drucks die Wahl des richtigen Polymers. Wir unterscheiden bei 3D-Drucken zwischen Formen und Werkzeugen, strukturellen Endteilen, nicht-strukturellen Endteilen und Forschung.
Nehmen wir das Beispiel des 3D-Drucks für das Formen. Wenn der Druck als Form für einen anderen Prozess verwendet wird, ist es wichtig, die Temperatur zu berücksichtigen, der die Form ausgesetzt sein wird. Die Auswahl eines Polymers, das bei der vorgesehenen Verwendungstemperatur eine gute Dimensionsstabilität aufweist, ist der richtige Schritt. Materialien wie ABS, PC und PEI werden in Formanwendungen verwendet, wobei jedes seine eigene Gebrauchstemperaturgrenze hat.
Darüber hinaus sollten weitere Umweltaspekte berücksichtigt werden. Bei Anwendungen, die mit Wasser in Berührung kommen, wie z. B. bei einem gedruckten Boot, sollte ein Material gewählt werden, das sich nicht zersetzt, wenn es mit Wasser in Kontakt kommt. Polyolefine wie PP und HDPE sind für ihre geringe Wasseraufnahme bekannt. Auch Polymere, die etwas Feuchtigkeit aufnehmen, wie PETG, können im erwarteten Betriebstemperaturbereich stabil bleiben.
Ein letzter Punkt ist die Einwirkung von Chemikalien auf den Druck, die das Polymermaterial angreifen können. Dies sind besondere Fälle, wie bei industriellen Dichtungen oder Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen der Kontakt mit aggressiven Hydraulikflüssigkeiten auftreten kann. Polymere mit aromatischen Grundgerüsten wie PPS, PEEK und PEKK sind für ihre hervorragende Chemikalienbeständigkeit bekannt
1.1 SEMI-KRISTALLIN GEGEN AMORPH
Die beiden Hauptgruppen thermoplastischer Polymere sind teilkristalline und amorphe Polymere. Beim Abkühlen aus dem geschmolzenen Zustand bilden teilkristalline Polymere Bereiche, in denen sich die Polymerketten in einer geordneten Weise ausrichten und Kristallite bilden. Diese Kristallite sind von zufällig ausgerichtetem amorphem Material umgeben. Die Menge an Material, die sich nach der Verarbeitung im kristallinen Zustand befindet, wird als Kristallinitätsgrad (DoC) bezeichnet.
Im Allgemeinen sind Polymermaterialien, die die beiden folgenden Eigenschaften aufweisen, teilkristallin. Erstens sollten sie eine konstante Wiederholungseinheit in ihrem Rückgrat aufweisen. Außerdem sollten ihre Seitengruppen im Rückgrat relativ klein sein. Beispiele für Polymermaterialien, die diese beiden Eigenschaften erfüllen, sind: PP, PLA, PA6, PPS, PEEK.
Am anderen Ende des Spektrums befinden sich amorphe Materialien. Diese Polymere bilden beim Abkühlen keine Kristallite. Außerdem bleiben ihre Polymerketten zufällig ausgerichtet, im Gegensatz zu den kristallisierten Strukturen teilkristalliner Polymere. Polymermaterialien, bei denen die Monomere in ihrem Rückgrat zufällig angeordnet sein können oder die relativ große Seitengruppen aufweisen, sind im Allgemeinen amorph. Beispiele für amorphe Eigenschaften sind ABS, PETG, PC, PEI.
Nahaufnahme eines CEAD Roboter-Extruders beim Drucken in einem 45-Grad-Winkel
VERARBEITUNG VON TEILKRISTALLINEN POLYMEREN GEGENÜBER AMORPHEN POLYMEREN
Um die Unterschiede in der Verarbeitung zwischen amorphen und teilkristallinen Polymeren zu veranschaulichen, werden zwei Beispiele angeführt:
Bei der großformatigen additiven Fertigung sind teilkristalline Polymere etwas schwieriger zu verarbeiten. Beim Abkühlen eines Drucks ändert sich der Kristallinitätsgrad des Materials. Da der kristalline Anteil des Materials eine andere Dichte als der amorphe Anteil hat, entstehen im Material innere Spannungen, die dazu führen, dass sich die gedruckte Struktur verformt und verzerrt.
Wenn eine frisch gedruckte Polymerperle auf eine bereits gedruckte Schicht aufgebracht wird, müssen die Grenzflächen der neuen und der alten Perle geschmolzen werden, damit die Polymerketten beweglich genug sind, um eine ordnungsgemäße Schichtbindung zu erreichen. Die Kristallite in teilkristallinem Material benötigen im Vergleich zu amorphem Material viel zusätzliche Energie, um geschmolzen zu werden. Diese zusätzliche Energie, die für den Bindungsprozess benötigt wird, kann nur von der neu gedruckten Perle hinzugefügt werden, die daher relativ heiß gedruckt werden sollte.
1.2 ELASTOMERE
Eine weitere Art von thermoplastischen Materialien sind Elastomere. Elastomere sind eine Art von Polymeren, die sich dehnen lassen und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Dies ist vergleichbar mit einem Gummiband.
Diese Gruppe elastischer Kunststoffe bezieht sich auf Kautschuke: natürliche oder synthetische Substanzen, die die Fähigkeit besitzen, die Elastizität von Gummi in ein gedrucktes Objekt zu integrieren. Elastomere weisen im Allgemeinen eine hohe Flexibilität und somit eine geringe Steifigkeit auf. Die Extruder von CEAD sind zwar in der Lage, elastomere Materialien zu drucken, drucken jedoch fast ausschließlich mit thermoplastischen Polymeren.
Foto eines Roboterextruders, der gerade ein Horn als Teil eines Soundsystems von Addit Audio druckt
2: ART DER SORTEN
Nach der Auswahl des richtigen Basispolymers werden Sie feststellen, dass es eine Vielzahl von Sorten desselben Polymers gibt. Lieferanten bieten oft mehrere verschiedene Sorten an, die für bestimmte Anwendungsfälle oder Prozesse optimiert sind. Bei der Auswahl einer Polymersorte sollten mindestens zwei Faktoren berücksichtigt werden:
VISKOSITÄT
Die Viskosität des Materials bei der Schmelztemperatur ist für eine erfolgreiche LFAM von entscheidender Bedeutung. Wenn die Viskosität zu niedrig (wässrig) ist, behält das Material nicht die Form der Extrusionsperle, sondern fließt weg, und es kann keine Struktur gedruckt werden. Wenn die Viskosität zu hoch (erdnussbutterartig) ist, sind die Polymerketten in der Perle nicht beweglich genug, um eine ordnungsgemäße Verbindung mit der vorherigen Materialschicht herzustellen.
KRISTALLISIERUNGSGESCHWINDIGKEIT
Wie bereits erwähnt, sind teilkristalline Materialien schwieriger zu verarbeiten. Sorten, die schnell kristallisieren (und für Prozesse mit kurzer Zykluszeit und damit hoher Abkühlrate ausgelegt sind), erreichen schnell einen Kristallinitätsgrad, der dem maximal erreichbaren Kristallinitätsgrad beim Abkühlen nahekommt.
Dies ist beim Drucken nachteilig, da ein hoher Kristallinitätsgrad bedeutet, dass in der folgenden Schicht viel zusätzliche Wärme hinzugefügt werden muss, um alle Kristallite in der vorherigen Schicht zu schmelzen und eine ordnungsgemäße Schichtverbindung zu erreichen. Langsam kristallisierende Sorten werden in LFAM bevorzugt.
Großformatige 3D-gedruckte Lampen. Inspiriert von: Knit Lighting – Joachim Froment
3: VERSTÄRKTE GEGEN NEUE MATERIALIEN
Der dritte Schritt im Materialauswahlprozess besteht in der Wahl zwischen faserverstärktem oder unverstärktem (reinem) Material. Die Zugabe von Fasern zum Material wirkt sich auf die Druckbarkeit des Materials und die Leistung des gedruckten Teils aus. Das Vorhandensein von Fasern trägt zur Verbesserung der Dimensionsstabilität des Druckmaterials bei. Die Schrumpfungs- und Verzugseffekte werden auch bei der Verwendung von verstärkten Materialien reduziert. Dies geht auf Kosten einer leicht erhöhten Schmelzviskosität.
Es ist erwähnenswert, dass verstärkte Materialien eine Abnutzung von Zylinder und Schnecke verursachen können. Daher müssen Sie beim Drucken von verstärkten Materialien einen verschleißfesten Zylinder und eine verschleißfeste Schnecke verwenden. Die Extruder von CEAD sind immer für den Druck von verstärkten und nicht verstärkten Materialien ausgelegt.
Wir können drei Arten von Verstärkungsfasern unterscheiden: Glasfasern, Kohlenstofffasern und Fasern auf Biobasis.
GLASFASERN
Glasfasern bieten eine kostengünstige Verstärkung für Kunstharze in der additiven Fertigung. Sie stellen einen Mittelweg zwischen Preis und Leistung dar und verleihen der gedruckten Struktur eine erhebliche Verbesserung der Steifigkeit.
Ein weiteres Merkmal ist die geringe Wärmeleitfähigkeit von Glasfasern. Sie haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kohlenstofffasern. Glasfaserdrucke kühlen daher im Vergleich zu ähnlichen Drucken mit Kohlenstofffasern etwas langsamer ab.
KOHLEFASERN
Die größte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird durch die Zugabe von Kohlefasern in Materialien erzielt. Kohlefasern weisen eine hervorragende Festigkeit und Steifigkeit auf, bei einem geringeren Gewicht als Glasfasern.
Darüber hinaus haben Kohlefasern einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE), der dazu beiträgt, die Wärmeausdehnung der gesamten gedruckten Struktur zu reduzieren. Dies ist sehr vorteilhaft für Anwendungen wie Formen, die bei erhöhten Temperaturen eingesetzt werden.
Kohlenstofffasern sind die teuersten Verstärkungsfasern und ihr Einsatz sollte durch den Anwendungsbereich des gedruckten Teils gerechtfertigt sein.
BIOLOGISCH BASIERTE FASERN
Die letzte Art von Fasern, die in der additiven Fertigung verwendet werden, sind biobasierte Fasern. Diese Fasern stammen aus erneuerbaren Quellen und sind oft biologisch abbaubar. Biobasierte Fasern eignen sich hervorragend für nachhaltige Zwecke, bieten jedoch im Vergleich zu Glas- und Kohlenstofffasern eine geringere Festigkeit des gedruckten Objekts.
Wie bei den meisten biobasierten Materialien ist die maximale Prozesstemperatur vor dem Abbau begrenzt und das Material sollte ausgiebig getrocknet werden.
Durch den Einsatz des industriellen 3D-Drucks kann die Produktionszeit von Autoklavenwerkzeugen für die Automobilindustrie von Wochen auf Tage verkürzt werden
4. ZUSATZSTOFFE
Sobald die richtige Faserverstärkung ausgewählt wurde, kann der Auswahlprozess mit dem letzten Schritt abgeschlossen werden: der Berücksichtigung von Materialzusätzen. Zusatzstoffe werden in der gesamten Polymerindustrie häufig verwendet und Polymerqualitäten für bestimmte Zwecke zugesetzt. Häufig verwendete Zusatzstoffe sind:
- UV-Stabilisatoren: Diese Additive verlangsamen den Abbau des Polymers, wenn es dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Ruß ist als guter UV-Stabilisator bekannt.
- Wärmestabilisatoren: Diese Additive reduzieren den Polymerabbau, wenn das Polymer erhöhten Temperaturen ausgesetzt ist, beispielsweise während des Pelletier- und des 3D-Druckprozesses.
- Flammschutzmittel: Diese Additive begrenzen die Entflammbarkeit des Polymers. Sie werden häufig in Transportanwendungen eingesetzt, bei denen ein gewisses Maß an Flammschutz erforderlich sein kann.
- Antibakterielle Zusatzstoffe: für Anwendungen, bei denen der Druck in Wasser eingetaucht wird. Antibakterielle Zusatzstoffe verhindern das Wachstum von Bakterien auf der Druckoberfläche.
- Farbzusätze: Wie Filamente können auch thermoplastische Polymere nach Wunsch eingefärbt werden. Materiallieferanten mischen das Polymer dazu mit einer Charge eines Materials, dem eine konzentrierte Anzahl von Farbpigmenten hinzugefügt wurde, einem sogenannten Masterbatch.
In der Regel bieten die Lieferanten von 3D-Druckmaterialien eine Auswahl an Qualitäten mit bestimmten Additiven an. Additive erhöhen die Kosten von 3D-Druckmaterialien, daher sollten Sie sorgfältig auswählen, welche Additive für Ihre Anwendung benötigt werden.
CEAD-EMPFEHLUNGEN FÜR ADDITIVE FERTIGUNGSMATERIALIEN
CEAD verfügt über umfassende Kenntnisse der in der additiven Fertigung verwendeten Materialien und hat gute Kontakte zu den meisten in der Branche tätigen Materiallieferanten. Wir können Sie bei der Auswahl des optimalen Materials für Ihre AM-Anwendung mit der Flexbot- oder Extruder-Serie unterstützen.