CFR-PEEK in der Additiven Fertigung

Erst seit einigen Jahren ist es möglich, PEEK mit Additiver Fertigung wie 3D-Druck-Technologien zu verarbeiten.

Mit dem Pulverbett-Schmelzverfahren, selektives Lasersintern (SLS), war es nur möglich, kommerziell erwerbliches PEEK zu verarbeiten, nach dem das Material modifiziert wurde. Diese Modifikationen wurden an der ursprünglichen Molekularstruktur vorgenommen, z. B. beim PEEK HP3 für laserbasierte Maschinen. Nichtmodifiziertes PEEK wurde zum ersten Mal von kommerziell erwerblichen Maschinen der Apium Additive Technologies GmbH verarbeitet, die das Additive Schmelzschichtverfahren verwenden. Das hat den Anwendungsbereich für PEEK deutlich ausgeweitet und dafür gesorgt, Komponenten zu designen und herzustellen, bei denen herkömmliche Fertigungsverfahren an ihre Grenzen stoßen.

Kohlenstofffaserverstärktes PEEK (CFRP) weist einen größeren Young Modul auf als reines PEEK und besitzt neben einer höheren Wärmeleitfähigkeit außerdem einen geringeren elektrischen Widerstand. Obwohl den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die verschiedenen Anwendungen von PEEK viel Aufmerksamkeit gewidmet wird, so ist deren Betrachtung im technischen Kontext umso sinnvoller, wenn lange Fasern anstatt kurzer oder gar micro-Fasern verwendet werden.

Der Grund für die höhere Belastbarkeit von faserverstärkten Polymeren liegt an den langen Fasern, da die Lastübertragung zwischen der Matrix-Phase (reines PEEK) und der verstärkenden Faser-Phase (Kohlenstoff – die steifere Phase), die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität der belasteten Komponente für eine längere Zeit bis zum Versagen, begünstigt.

Obwohl 3D-Drucker wie die Maschinen der Apium P-Serie bereits in einer Qualität drucken, die für Anwendungen in nichttragenden Systemen geeignet sind, ist es vorhersehbar, dass dieses Material einen grundlegenden Vorteil für die Technik bringen wird.

Technologischer Stand der Additiven Fertigung

Der aktuelle Stand der Technologien in der Additiven Fertigung ermöglicht die Verarbeitung von Kurz- und Mikrofasern von kohlenstoffverstärktem PEEK. Während die Steifigkeit zunimmt, liegt die Attraktivität der Anwendung eines solchen Verbundwerkstoffes vor allem in Systemen, in denen eine entsprechende Traglast in Kombination mit einem spürbaren Wärmetransfer und einer guten Leitfähigkeit angestrebt wird.

Jüngste anwendungsorientierte Studien über CFR-PEEK scheinen zu zeigen, dass eine medizinische Notwendigkeit für dieses Material im Bereich Knie- und Hüftgelenksimplantologie besteht. Aufgrund seiner guten Verschleißfestigkeit wird es allerdings auch im Bereich der Lagerung gasförmiger Brennstoffe in metallischen Tanks unter sehr niedrigen Temperaturen (kryogen, bei -196° C) gebraucht. Hier wird der Gastank mit CFR-PEEK ausgekleidet, um Lecks und das Ausdringen von Gasen, wie im Beispiel einer Trägerrakete, zu verhindern.

Verarbeitung von CFR-PEEK

Die wichtigsten Aspekte bei der Verarbeitung von CFR-PEEK mit additiven Fertigungstechnologien sind das Volumenverhältnis und die Geometrie der Faser-Phase. Je höher der Anteil des Faservolumens, desto größer sind die Schwierigkeiten beim Extrudieren des Materials, während bei relativ kleinen Volumenanteilen die mechanische Steifigkeit geringer ausfällt. Wenn die charakteristische Länge oder der Durchmesser der Faser einen bestimmen Wert überschreitet, der mit dem Düsendurchmesser des FFF 3D-Druckers skaliert, entstehen geometrische Effekte.

Da die meisten handelsüblichen faserverstärkten PEEK-Sorten für den Spritzguss und nicht für den 3D-Druck entwickelt und konzipiert sind, entstehen folglich grundlegende Herausforderungen bei der Verarbeitung. Umgekehrt sind die meisten 3D-Drucker, die das Schmelzschichtverfahren nutzen, für die Verarbeitung von ungefüllten Polymeren konzipiert. Somit entsteht bei der Verarbeitung von gefüllten Materialien, die Kohlenstofffasern in der Polymermatrix besitzen, ein abrasiver Kontakt bei jenen Maschinenteilen, die in direkten Kontakt mit dem CFR-Polymer treten. Durch diesen aggressiven Kontakt entsteht Verschleiß, der bereits bei der Konstruktion des 3D-Druckers berücksichtigt und gelöst werden muss.