Additiv gefertigtes PEEK für die Verarbeitungsindustrie

Einleitung

In der Industrie herrscht eine gewisse Zwiespältigkeit, wenn es um den Einsatz von 3D gedruckten Teilen in der Endanwendung geht. Einer der Hauptgründe, dass die 3D-Drucktechnologie als Fertigungswerkzeug zögerlich eingesetzt wird, ist die allgemeine Annahme, dass die Technologie noch nicht reif sei. Selbst bei high-end Metallverarbeitungssystemen ist die Industrie noch vorsichtig; Zurückhaltung, die aus unterschiedlichen Faktoren herrührt wie beispielsweise mangelnde Informationen der Medien, Materialien, Messtechnik, Qualitätssicherstellung, zum Zugang zur Technologie und der generelle Mangel an ausführlichen Daten zum Materialverhalten nach der 3D Druckverarbeitung.

Es liegt auf der Hand, dass der Bedarf an präzisen Spezifikationen sowie realen Bauteilen, die den konstruktiven Anforderungen nachweislich entsprechen, groß ist. Die Industrie muss erkennen und akzeptieren, dass ein Verfahren wie die 3D-Drucktechnologie, eine additive Fertigungstechnologie ist, um besonders Kleinserien in kurzer Zeit zu realisieren und massenweise Individualisierung zu ermöglichen. Der wesentliche Vorteil des 3D Drucks in einem Unternehmen ist das kostengünstige Produzieren erster einsatzfähiger Bauteile sowie die enorme Entwicklungszeitersparnis von der Designidee bis hin zum Einsatz des Teils.

In Anbetracht dieser Tatsachen spielen die verwendeten Materialien, sowie die Qualität der Teile nach dem Druck, eine zentrale Rolle, um die Industrie zu überzeugen, wozu die 3D Drucktechnologie bereits fähig ist. Die Befähigung Hochleistungsmaterialien, wie PEEK; welches extreme technische Anforderungen erfüllt (hohe mechanische Belastbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, chemische Reaktionsträgheit und UV-Beständigkeit), 3D drucken zu können, ist eine einzigartige Fertigungschance. Funktionale und strukturelle Produktentwürfe, welche komplexe Geometrien erfordern und mit herkömmlichen Fertigungsverfahren (wie bspw. Spritzguss und CNC-Fräsen) nur schwer umsetzbar sind, können nun dank des 3D-Drucks mit geringstem Aufwand gefertigt werden.

Praxisorientierte Beispiele

In Bild 1a und b ist ein Beispielteil aus PEEK zu sehen, dass mit einem Indmatec HPP 155 3D Drucker hergestellt und anschließend mit metallischen Anschlusstüllen versehen wurde. Jener HPP 155 3D Drucker wurde speziell konstruiert, um hochtemperaturfeste Polymere zu verarbeiten. Seine mechanische Leistung, in Verbindung mit der Software, die es möglich macht die Druckstrategie zu erzeugen und präzise auszuführen, wurden umfangreich getestet, um qualitativ hochwertige PEEK-Teile zu realisieren.

Bild 1. PEEK-Teil hergestellt mit der fused filament fabrication (FFF) 3D Druck Technologie (a) ein mit Innensicht gedrucktes Teil, (b) Ansicht auf die geschlossene Seite. (Höhe: 95 mm, max. Durchmesser: 40 mm)

Bild 1. PEEK-Teil hergestellt mit der fused filament fabrication (FFF) 3D Druck Technologie (a) ein mit Innensicht gedrucktes Teil, (b) Ansicht auf die geschlossene Seite. (Höhe: 95 mm, max. Durchmesser: 40 mm)

Das PEEK-Teil in Bild 1 ist eine Mehr-Gängige Mischsäule im Halbschnitt, um die inneren Kanäle zu zeigen. Die Oberfläche (Abbildung 2), ebenso wie die Innenwände, sind durch feine Nahtstellen gekennzeichnet, welche durch das Ablegen der einzelnen Schichten geschmolzenen PEEKs auf die spannungsfreie Oberfläche des festen PEEKS entstehen. Die Kantenbereiche der Mischsäule sind hervorgehoben, um die Natur der Strömungsmechanik, die dem Prozess der Schmelzverfestigung vorangeht, zu verdeutlichen. Man erkennt deutlich, dass die Phasenumwandlung, genauer die Keimbildung und das Keimwachstum von kristallinen Bereichen, die Erstarrungsgeschwindigkeit sowie die Wärmeabfuhr des erstarrenden PEEKs, während dem Druckvorgang überwacht wird, um ein qualitativ hochwertiges Druckresultat zu erhalten.

Bild 2

Bild 2. Vergrößerte Anschauung des Teils in Bild 1: Ein Fluidmischer hergestellt aus PEEK-Material. Auffällig ist der feine Oberflächenkontrast, der durch die schichtweise Ablagerung des PEEK-Materials entsteht.

Die Beispielteile aus PEEK, die in Bild 3a-d abgebildet sind, wurden ebenfalls mit einem Indmatec HPP 155 3D Drucker gedruckt. Die Qualität der Oberfläche dieser Teile zeigt die technische Stabilität und Zuverlässigkeit des HPP 155 Druckers. Jedes Teil ist funktionstüchtig und im chemisch technologischen Sektor einsetzbar.

Bild 3

Bild 3. 3D gedruckte PEEK-Teile (a) Dichtung, (b) Flansch, (c) Antriebsradsystem (d) Wärmetauscher.

Die Funktion von 3D Druck in der Chemie Industrie

Computersimulationen in Bezug auf dynamisches Verhalten von Flüssigkeiten, Rheologie und chemische Prozesse, haben in den vergangenen 30 Jahren die Entwicklungsaktivitäten im Bereich der Prozesssteuerung dominiert. Während dieser Ansatz beachtliche Kosteneinsparungen bezüglich Zeit und Geld mit sich bringt, bleibt die Notwendigkeit, reale Modelle der Einsatzteile und Einsatzverfahren zu testen, denn gewisse konstruktionsbedingte Hindernisse bleiben trotz des Einsatzes von computerunterstützten Werkzeugen unvorhersehbar. Aus diesem Grund greifen Verfahrenstechniker auf Miniaturabbildungen zurück, um diese unter echten Einsatzbedingungen zu testen.

Bild 4

Bild 4. 3D gedrucktes Laufradsystem aus PEEK. Das Gehäuse ist 3D gedrucktes Polyamid (PA6)

Und genau dort können Fertigungsverfahren, wie der 3D Druck, eine definitiv entscheidende Rolle spielen. Durch die Anwendung des 3D Drucks bei der Erstellung von Miniaturen und Versuchsanlagen, können Ingenieure bei der Entwicklung von Fertigungsanlagen enorm an Zeit, rechenintensiver Anstrengung und Investitionskosten sparen. Elemente von Fertigungsanlagen wie zum Beispiel; Trenneinheiten, Kompressoren, Tanklager, Rohrleitungen, Pumpen und Ventile können in kleinen Mengen 3D gedruckt und anschließend als funktionierende Teile in Anlagenentwicklungsprojekten getestet werden. Gelenke, Verbindungspunkte oder Flächen an denen verschiedene Teile aneinander gekoppelt sind, werden nicht mehr benötigt, da man durch den Gebrauch von 3D Druck die gesamte Vorrichtung an einem Stück drucken kann.

Zum Beispiel kann PEEK; ein Material mit Eigenschaften, die es zu einem attraktiven Schlüsselfaktor in Bezug auf chemische Fertigungsprozesse machen, für Reaktionsgefäße, die unter extremen pH-Wert Bedingungen stehen, benutzt werden. Für Öl- und Gasanwendungen ist PEEK, auf Grund seiner strukturellen Stabilität, ebenso attraktiv. Die Tatsache, dass der 3D Druck heutzutage im Stande ist sowohl Metallteile, technische Keramikteile als auch hochleistungsfähige Kunststoffteile herzustellen, unterstreicht die einzigartige Entwicklung dieser Fertigungsverfahren und bietet Industrien die hervorragende Möglichkeit, hoch spezialisierte Teile zu designen und diese ohne großen Aufwand herstellen zu können.

Einige praxisrelevante Informationen

Informationen liefern das benötigte Vertrauen, um die 3D Druck Technologien als etabliertes Fertigungsverfahren zu verankern. Jedoch ist die Anzahl an technischen Daten, die für dieses Vertrauen benötigt werden, bei weitem nicht ausreichend. Einige Gründe dafür sind; (i) Maschinenhersteller verfügen nicht über die vollständigen Informationen bezüglich der Qualität 3D gedruckter Teile, oftmals werden nur Daten über geschäftliche Erfolge veröffentlicht (ii) die Mehrheit der Forschungsgruppen, welche 3D Drucker in ihren Laboren verwenden, testen nicht die Leistung der gedruckten Teile sondern konzentrieren sich auf Prototypenentwicklung, welche den Anforderungen in Geometrie und Form entsprechen (iii) ein großer Teil der 3D Druck Anwender setzt sich zusammen aus Mitgliedern der Maker Gemeinschaft, welche oft wenig oder gar keinen Zugang zu Versuchsanlagen haben, was jedoch notwendig wäre um die Glaubwürdigkeit in die wertvolle Entwicklungsarbeit im Bereich des 3D Drucks zu stärken. Die Tatsache, dass einige Maschinenhersteller sehr verschwiegen über Testergebnisse ihrer produzierten Teile sind, wirft Fragen nach Qualitätssicherung, Reproduzierbarkeit der Eigenschaften 3D gedruckter Teile, Zuverlässigkeit des Druckprozesses und natürlich nach der Existenz von messbaren Parametern für die Benchmark von 3D gedruckten Teilen auf. In den letzten 5 Jahren wuchs das Interesse im Bereich der Additiven Fertigung, um die Verarbeitbarkeit von Materialien in sicherheitskritischen Anwendungen zu erforschen. Faserverstärkte Kunststoffe, Verbundwerkstoffe, die Nanowerkstoffe, wie z.B. Kohlenstoffnanoröhrchen enthalten, fortgeschrittene Materialien, wie Formgedächtnislegierungen und Materialien, die als Knochenimplantate im menschlichen Körper Anwendung finden, wie zum Beispiel Titan 6Al-4V (Ti6Al4V) und PEEK, spielen eine Schlüsselrolle bei dieser Art Materialien. Relativ neue Fertigungstechnologien, wie der 3D Druck, müssen eine Schwelle zur Akzeptanz überwinden da Misstrauen, Vorsicht und eine generelle Unsicherheit im Hinblick auf gewohnte Methoden und Prozesse bestehen. Das bedeutet, dass experimentell erzeugte Daten, die das mechanische Verhalten von 3D gedruckten Teilen zeigen, notwendigerweise veröffentlicht werden müssen. Bild 5 zeigt die mechanischen Eigenschaften von PAEK-Teilen (PEEK, PEKK sind chemische Derivate von PAEK), welche mithilfe unterschiedlicher Verfahren hergestellt wurden. Im Generellen sind Datensätze von spritzgegossenen Teilen die industrielle Benchmark für Kunststoffmaterialien. Die grafische Darstellung in Bild 5 zeigt die klaren Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften, wobei spritzgegossene Teile, genauso wie mithilfe der FFF-Technologie 3D gedruckte Teile, überlegene Stärke zeigen.

Bild 5. Grafik zeigt Zugfestigkeit und Zugbelastung für PAEK Teile, die durch unterschiedliche Fertigungsverfahren fabriziert wurden.

Bild 5. Grafik zeigt Zugfestigkeit und Zugbelastung für PAEK Teile, die durch unterschiedliche Fertigungsverfahren fabriziert wurden.

In der Vakuumtechnologie, in der chemische Inertheit, hohe Festigkeit und Ausgasung eine kritische Rolle spielen, hat PEEK in den Bereichen Versiegelungen, Dichtungen, Materialien für strukturelle Komponenten, die niedrige Lasten tragen, sowie als Wirkstoffsubstrat Anwendung gefunden. Bild 6 zeigt die Ergebnisse von Ausgasungstests unter Vakuumbedingungen von 3D gedruckten PEEK-Teilen. Die Ergebnisse zeigen eine Ausgasrate von 5×10-7 mbar l/cm-2 s-1 nach 18 Stunden im Vakuum. Deutlich ist, dass nach zwölfstündigem Backen bei 150 °C, eine Ausgasrate von 4.1×10-11 mbar l/cm-2 s-1 zu sehen ist; ein Wert der genau in den Ultrahochvakuum bis Extremvakuum Bereich fällt.

Restgasanalysatoren scannen PEEK-Teile, um die Art der ausgasenden Moleküle festzustellen, dabei wurden hauptsächlich niedermolekulare Verbindungen wie Wasser und Kohlenstoffdioxid detektiert.

Bild 6. Testergebnisse für Ausgasverhalten von 3D gedruckten PEEK-Teilen unter Vakuumbedingungen.

Bild 6. Testergebnisse für Ausgasverhalten von 3D gedruckten PEEK-Teilen unter Vakuumbedingungen.

Fazit

Die Anwendung von 3D Druck bzw. additiver Fertigung in der chemischen Prozessindustrie ist definitiv vorhanden; wir müssen lediglich diese Nische erkennen. In der Medizintechnik werden 3D Drucker bereits verwendet, um patientenspezifische Implantate herzustellen, die die Daten der MRT und CT Scans verwenden, um dann als 3D-Druckteile erzeugt zu werden. Ist es möglich computerunterstützte Modelle von Prozessanlagen zu verkleinern und anschließend in 3D zu drucken? Können wir unsere digitalen Arbeitsabläufe und Anlagenentwürfe mit deren Eigenschafen und Funktionen verbessern, indem wir Anlagenmodelle 3D drucken und an ihnen Probeläufe durchführen? Können 3D Drucker verwendet werden, um Ersatzteile herzustellen, um unsere alten Anlagen am Laufen zu halten oder um neue Komponentendesigns zu entwickeln, die die Anlagenleistung verbessern? Die Autoren sind der Meinung, dass die 3D Drucktechnologie eine praktikable Chance ist, neue Wege im Bereich Anlagenplanung, -betrieb und –optimierung zu gehen.

Anerkennung

Wir danken der Hochschule Merseburg (Deutschland) – University of Applied Sciences für die Daten der mechanischen Prüfung von 3D gedrucktem PEEK mit der FFF-Technologie und Andy Stallwood, von der Diamond Light Source Ltd (UK), für die Vakuumtests.

Autoren:

Julian Scholz, Uwe Popp, Brando Okolo
Brando Okolo (PhD), Indmatec GmbH (brando.okolo@indmatec.com)

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