Hochleistungsthermoplaste 3D-Druck-Anwender Aufgepasst! PEEK ist nicht gleich PEEK!

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Auch Hochleistungskunststoffe werden additiv verarbeitet. Darunter auch Polyetheretherketon (PEEK). Apium informiert hier darüber, was Anwender wissen sollten, wenn sie mit PEEK drucken möchten...

PEEK (Polyetheretherketon) ist ein hochtemperaturbeständiger, thermoplastischer Kunststoff und bildet mit wenigen weiteren Kunststoffen die Leistungsspitze der Hochleistungsthermoplaste (Bild 1, weiter unten).Diese Hochleistungsthermoplaste zeichnen sich durch die eben erwähnte hohe Temperaturbeständigkeit sowie hohe mechanische Festigkeit aus, wohingegen PEEK zusätzlich beständig ist gegen chemisch aggressive Medien und  hochenergetische Strahlung und außerdem biologische Verträglichkeit aufweist.

Aufgrund dieser herausragenden Eigenschaften ist PEEK ein Kunststoff, der in vielen industriellen und medizinischen Anwendungen vom Bioreaktor zum Satelliten, über die Vakuumpumpe zu den Schädelimplantaten, breiten Einsatz findet. In der jungen, wachsenden Technologiebranche der additiven Fertigung hat sich die Verarbeitung von PEEK als besonders herausfordernd herauskristallisiert.

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Druck man wirklich mit dem traditionellen PEEK?

PEEK wurde erstmals von dem britischen Unternehmen ICI unter dem Namen Victrex PEEK kommerziell auf den Markt gebracht, nachdem sich das Unternehmen das Verfahren zur Synthese 1977 patentieren ließ. Seit Beginn der 90er-Jahre wird das Material auch im medizinischen Kontext verwendet. Das Potential, das das Material bietet, haben auch andere namhafte Hersteller wie Solvay und Evonik erkannt und ihrerseits PEEK-Typen auf den Markt gebracht. Dabei unterscheiden sich die Polymere der verschiedenen Hersteller voneinander zum einen durch eine unterschiedliche Synthesemethode, zum anderen durch eine unterschiedliche Synthesedauer.

Als anschauliches Bild kann eine Halskette dienen. Diese besteht wie die Thermoplaste aus einzelnen, gleichartigen Gliedern, die miteinander verbunden sind. (Bild 2)

Dabei stellt sich allerdings die Frage, ob das PEEK, mit dem die 3D-Druckerhersteller werben, auch das PEEK ist, welches bereits seit über zwanzig Jahren in den oben genannten Beispielen erfolgreich verwendet wird? Gibt es denn überhaupt DAS PEEK? Oder unterscheidet sich das Material, je nachdem von welchem Materialhersteller es bezogen wird?

Näheres zu den Eigenschaften von Makromolekülen

Würden wir uns Kettenglieder von Halsketten als einzelne Elemente in einer Schale vorstellen und die ausschütten, würden die einzelnen Kettenglieder problemlos herausrieseln. Sind die Glieder aber lange Ketten bildend miteinander verbunden, und wir schütten die Schale aus, so kann man sich vorstellen, dass die Ketten eher als ein zusammenhängendes Knäuel aus der Schale fallen würden. Denn die einzelnen Ketten haben sich miteinander verknotet. Dieses Verhalten, das direkt mit der Länge der einzelnen Ketten zusammenhängt, kann analog  auf die Thermoplaste übertragen werden. Somit sind die mechanischen Widerstände bei langen Ketten, man spricht von hohem Molekulargewicht, größer als bei kurzen Ketten. Diese sind im Gegenzug jedoch weniger anfällig für Verwicklungen als die langen Ketten, was zu einer höheren Fließfähigkeit führt. Eine hohe Fließfähigkeit ist vor allem bei Verarbeitungsverfahren wie dem Spritzguss erwünscht. Die geschmolzenen Thermoplaste sollen in kurzer Zeit die hintersten Bereiche der Spritzgussformen erreichen, ausfüllen und dann rasch erstarren. Dieses ist eine gewünschte Eigenschaft, die mit zähflüssigen Thermoplasten kaum zu erreichen wäre. Hingegen eignet sich höher viskoses PEEK eher zur Herstellung von Halbzeugen wie Stangen und Platten, die letztlich maschinell in die finale Bauteilform zugeschnitten werden. Bild 3 zeigt eine Übersicht der unterschiedlichen PEEK-Typen, die am Markt erhältlich sind und deren mechanische Eigenschaften am Beispiel ihrer Biegefestigkeiten.

Additive Fertigung von PEEK näher betrachtet

Die Additive oder generative Fertigung ist ein Herstellprozess, welcher wie das Spritzgießen oder Extrudieren auch, das Material aufschmilzt, jedoch einen langsamen Erstarrungsprozess erfordert. Im Gegensatz zum Spritzgießen haben Filament verarbeitende 3D-Drucker aber keine räumlich begrenzenden Werkzeuge respektive Formen oder Düsen nötig, um ein Bauteil oder Halbzeug entstehen zu lassen, sondern sie bilden das Bauteil frei durch Aneinanderfügen von Schmelzeportionen. Die Herausforderung bei der Additiven Fertigung besteht nun darin, das die Schmelze fließfähig sein muss, aber andererseits auch die mechanischen Eigenschaften eines frisch aus der Düse kommenden Extrudats.

Entweder den Kunststoff an die Anwendung anpassen...

Um diesen Spagat zu meistern, können zwei Ansätze gewählt werden: Die erste Möglichkeit besteht darin, das PEEK in seiner molekularen Struktur so zu verändern, dass Eigenschaften wie hohe Fließfähigkeit und rasches Erstarren bei wenig Verzug zu erwarten sind. Nun ist PEEK aber nicht nur ein Hochleistungspolymer, sondern gehört auch zur Gruppe der teilkristallinen Polymere. Diese Teilkristallinität verleiht PEEK aber erst die herausragenden Eigenschaften der hohen mechanischen, thermischen, chemischen und biologischen Festigkeit, wenn das Bauteil erstarrt ist. Und dabei gilt, je länger die durchschnittliche Makromolekülkette ist, desto stabiler ist das Polymer. Ein Eingriff in die molekulare Struktur verleiht dem Polymer zwar eine bessere Verarbeitbarkeit, geht jedoch auf Kosten der besonderen mechanischen Eigenschaften.

....oder lieber den Verarbeitungsprozess!

Die zweite Möglichkeit, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften der PEEK-Sorten zu erhalten, wie man sie vom üblilch hergestellten, extrudierten Halbzeug oder Spritzgussteil her kennt, besteht darin, den Verarbeitungsprozess sinnvoll an das Material anzupassen. Entscheidend dabei ist das Zusammenspiel von Aufheiz- und Abkühlprozess, das für jede PEEK-Type und -Kettenlänge einzeln einzustellen ist. Apium Additive Technologies hat diesen Ansatz gewählt, um für Anwender, die die bekannten PEEK-Eigenschaften für ihre bestehenden Produkte benötigen, den Verarbeitungsprozess an das Material anzupassen anstatt das Material an den Verarbeitungsprozess anzupassen. Der patentierte Verarbeitungsprozess findet über den lokal gesteuerten Wärmeeintrag in das Bauteil statt (Bild 4).

Fazit:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PEEK nicht einfach nur PEEK ist, sondern sich voneinander in der Kettenlänge, dem Molekulargewicht und dem damit möglichen Herstellungsprozess unterscheidet. Die verschiedenen PEEK-Typen sind deshalb auf die jeweiligen Verarbeitungsmethoden zugeschnitten. Statt das Material an den Druckprozess anzupassen, hat Apium den Verarbeitungsprozess an das Material angepasst. Denn letztendlich wird PEEK wegen seiner originären herausragenden Eigenschaften geschätzt.

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