PEEK für materialextrusionsbasierter Systeme von Apium

PEEK (Polyetheretherketon) ist ein hochtemperaturbeständiger, thermoplastischer Kunststoff und bildet mit wenigen weiteren Kunststoffen die Leistungsspitze der Hochleistungsthermoplaste. Apium ist ein weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Additiven Fertigung und Hersteller materialextrusionsbasierter Systeme zur Verarbeitung von Hochleistungsthermoplasten. Die Technologie des Unternehmens wird zur Erzeugung von Prototypen, Produktionsteilen, Betriebsmitteln und Fertigungswerkzeugen in Industrie und Medizintechnik eingesetzt.

Bauteile aus PEEK sollen auch bei additiver Herstellung über die gewünschten Materialeigenschaften verfügen. Apium passt den Prozess an das Material an statt umgekehrt.

Bauteile aus PEEK sollen auch bei additiver Herstellung über die gewünschten Materialeigenschaften verfügen. Apium passt den Prozess an das Material an statt umgekehrt.

Hochleistungsthermoplaste zeichnen sich durch die hohe Temperaturbeständigkeit sowie hohe mechanische Festigkeit aus, wohingegen PEEK zusätzlich beständig ist gegen chemisch aggressive Medien, hochenergetische Strahlung und außerdem biologische Verträglichkeit aufweist. Dank dieser herausragenden Eigenschaften ist PEEK ein Werkstoff, 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.

Pyramide der Thermoplasten. Je höher das Polymer steht, desto höher ist dessen Schmelzpunkt.

Pyramide der Thermoplasten. Je höher das Polymer steht, desto höher ist dessen Schmelzpunkt.

Fließfähigkeit versus Erstarrungsverhalten

PEEK weist in aufgeschmolzenem Zustand eine höhere Viskosität auf als andere Thermoplasten. 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. Das 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 oder zerspanend bearbeitet werden.

Der filamentbasierte 3D-Druck (FFF – Fused Filament Fabrication) ist ein Fertigungsverfahren, welches wie im Spritzguss das Material aufschmilzt, jedoch einen langsamen Erstarrungsprozess erfordert. Im Gegensatz zum Spritzguss haben filamentbasierte 3D-Drucker keine begrenzenden Formen, sondern bilden Freiformen ähnlich wie bei der Extrusion von Halbzeugen. Die Herausforderung beim FFF besteht nun darin, ein einerseits fließfähiges Material zu erhalten, welches andererseits jedoch die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge aufweist. Um diese Problematik zu lösen, können zwei mögliche 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 entstehen. Nun ist PEEK nicht nur ein Hochleistungspolymer, sondern gehört auch zur Gruppe der teilkristallinen Polymere. Die Teilkristallinität verleiht PEEK erst die herausragenden Eigenschaften der hohen mechanischen, thermischen, chemischen und biologischen Festigkeit. Und dabei gilt, je länger die Molekülketten sind, desto stärker das Polymer. Ein Eingriff und einhergehende Änderungen in die molekulare Struktur verleihen dem Polymer zwar eine bessere Verarbeitbarkeit, jedoch auf Kosten der besonderen Eigenschaften.

Übersicht der unterschiedlichen PEEK-Typen, die am Markt erhältlich sind und deren mechanische Eigenschaften am Beispiel ihrer Biegefestigkeiten.

Übersicht der unterschiedlichen PEEK-Typen, die am Markt erhältlich sind und deren mechanische Eigenschaften am Beispiel ihrer Biegefestigkeiten.

Positive Eigenschaften erhalten

Die zweite Möglichkeit, die gewünschten mechanischen Eigenschaften der PEEK-Sorten, wie man sie aus dem Halbzeug kennt, nicht zu verlieren besteht darin, den Verarbeitungsprozess an das Material ideal anzupassen. Entscheidend hierfür ist das Zusammenspiel von Aufheiz- und Abkühlprozess, das für jede PEEK-Sorte bzw. Polymerkettenlänge entsprechend einzustellen ist. Die Firma Apium Additive Technologies hat diesen Ansatz gewählt, um für Kunden, welche die PEEK-Eigenschaften der Halbzeuge für ihre bestehenden Produkte benötigen, den Verarbeitungsprozess an das Material anzupassen anstatt das Material an den Verarbeitungsprozess. Der patentierte Verarbeitungsprozess findet über den lokal gesteuerten Wärmeeintrag in das Bauteil statt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PEEK nicht einfach nur PEEK ist, sondern sich voneinander in der Kettenlänge, dem Molekulargewicht und dem Herstellungsprozess unterscheidet. Die verschiedenen PEEK-Typen sind auf die jeweiligen Verarbeitungsmethoden zugeschnitten. Statt das Material an den Druckprozess anzupassen, hat die Firma Apium den Verarbeitungsprozess an das Material angepasst. Letztlich wird PEEK wegen seiner originären herausragenden Eigenschaften geschätzt. Durch Apiums patentierte Technologie lassen sich Hochleistungsthermoplaste material- und energiesparend verarbeiten. Damit ermöglichen sie Herstellern, die Kosten und Markteinführungszeit ihrer Produkte zu verringern. Das Angebot von Apium umfasst 3D-Drucker, Druckermaterialien und Beratungsdienstleistung.

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