3D-Druck-Materialien 2018-12-05T14:47:52+00:00

3D-Druck-Materialien

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Das Druckverfahren der Fused Filament Fabrication (FFF) ist unglaublich anpassungsfähig – es funktioniert jedoch nicht für alle Kunststoffe. Aufgrund der engen Beschränkungen, die für das präzise Extrudieren von Kunststoff aus einer winzigen Düse erforderlich sind, drucken traditionelle Kunststoffe, die ursprünglich für das Spritzgießen optimiert wurden, nicht. Die bedruckbaren Kunststoffe decken jedoch ein breites Spektrum an Zusammensetzungen, Druckbeschränkungen und Materialeigenschaften ab. Um das richtige Material zu finden, müssen Sie die Anforderungen Ihrer Anwendungen an die Eigenschaften der Materialien anpassen, mit denen Sie drucken können. In diesem Artikel diskutieren wir die Stärken und Schwächen verschiedener thermoplastischer Kunststoffe.

Neben dem Bedrucken von Thermoplasten passt Markforged auch den FFF-Prozess an, um Nicht-Kunststoffmaterialien zu bedrucken. Bei der Endlosfilamentherstellung (Continuous Filament Fabrication, CFF) legt ein FFF-Drucker mit einer spezialisierten zweiten Düse kontinuierliche Kohlefasern, Fiberglas oder Kevlar® in ein Bauteil ein. ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing) baut auf der bestehenden Metallherstellungstechnologie von Metal Injection Molding (MIM) auf, indem ein auf FFF basierendes Verfahren zum Bedrucken von Metallpulver in einem Kunststoffbinder verwendet wird. Diese bedruckten Teile werden in ein Lösungsmittelbad gegeben, um Bindematerial zu entfernen, und zu vollständig metallischen Teilen gesintert.

Standard-Thermoplaste
Mit dem rasanten Wachstum des 3D-Drucks hat sich auch die Vielfalt der Druckfilamente entwickelt. Trotz dieses Booms können die meisten 3D-bedruckbaren FFF-Thermoplaste in drei Kategorien eingeteilt werden: Grundlegende Thermoplaste, Nischen-Thermoplaste und Superplastik.

Grundlegende Thermoplaste, die in 3D-Druckmaterialien üblich sind.

 

Basisthermoplasten: Diese Kunststoffe haben noch keine hervorragenden Eigenschaften, sind aber trotzdem die beliebtesten, zur verfügungstehenden Druckthermoplaste. PLA, der gebräuchlichste Druckkunststoff, druckt gut und verfügt über gute mechanische Eigenschaften. Aufgrund der fehlenden Hitzebeständigkeit und der geringen Haltbarkeit ist der Einsatz in einer industriellen Umgebungen jedoch unmöglich. ABS hat eine hervorragende Wärmebeständigkeit, ist aber nicht besonders stark und reagiert schlecht mit den meisten Herstellungschemikalien. PETG, eine Druckuntergruppe aus Polyethylen, ist eine Kreuzung zwischen den beiden: etwas stärker als ABS und etwas hitzeresistenter als PLA, aber für die meisten Fertigungsumgebungen immer noch nicht robust genug.

 

 

Nischen-Thermoplaste, die als 3D-Druckmaterialien verwendet werden.
Nischen – Thermoplaste: Nischen-Thermoplaste haben eine oder zwei ausgezeichnete Facetten, so dass sie in bestimmten Anwendungen sehr nützlich sein können. Nylon ist ein perfektes Beispiel. Es ist weder steif noch besonders fest und es hat praktisch keine Hitzebeständigkeit, aber es ist extrem langlebig und besitzt eine bemerkenswerte chemische Beständigkeit. Daher wird es in Anwendungen eingesetzt, in denen Flexibilität und Langlebigkeit am wichtigsten sind. TPU (oder TPE) ist ein extrem duktiles Material, das ähnliche Eigenschaften wie Nylon aufweist und etwas flexibler ist. Polycarbonat ist in vielerlei Hinsicht ein hervorragender Kunststoff – ziemlich fest und hitzebeständig -, aber nur mäßig haltbar und chemisch beständig.

PEEK / Ultem ist ein “superplastisches” 3D-Druckmaterial.

 

Superplastics: Diese Materialien verfügen über alle erforderlichen Aspekte, um in Produktionsumgebungen erfolgreich zu sein. PEEK und Ultem sind beide feste, steife Kunststoffe mit extrem hoher Hitzebeständigkeit und chemischer Beständigkeit. Die Ingenieure haben sie in der Fertigung intensiv eingesetzt, bevor sie 3D-druckbar waren, und verwenden jetzt Drucker, um aus diesen Materialien individuelle, robuste Vorrichtungen herzustellen.

Gefüllte thermoplastische Kunststoffe
Ein gefüllter Thermoplast ist ein Material, in dem ein Standardkunststoff mit winzigen Teilchen eines zweiten Materials imprägniert wird. Die Konzentration des zweiten Materials kann variieren, es ist jedoch immer noch in erster Linie ein thermoplastischer Kunststoff in Bezug auf Zusammensetzung und Materialverhalten. Das Hinzufügen von Partikeln aus festerem Material zu Thermoplasten kann viele Materialeigenschaften verändern (obwohl die chemische Beständigkeit immer noch vollständig vom Kunststoff abhängt).

Gefüllte Thermoplaste befinden sich in zwei Lagern: mit exotischen Materialien gefüllte Kunststoffe und geschnittene faserverstärkte Kunststoffe. Mit Exotikstoffen gefüllte Kunststoffe sind Nischenkunststoffen am ähnlichsten, da ihre Sekundärmaterialien (Kaffee, Holz und andere Materialien) die Textur und das Aussehen mehr als die mechanischen Eigenschaften verändern. Bei geschnittenen faserverstärkten Kunststoffen werden dagegen Fasern in Industriequalität verwendet, um die Materialeigenschaften von Thermoplasten zu verbessern. Das häufigste davon ist gehacktes, mit Kohlefasern verstärktes Nylon, ein Kunststoff auf Nylonbasis, der mit mikroskopisch kleinen Kohlenstofffasern imprägniert ist.

Wenn Sie die richtige Menge Kohlefaser zu Nylon hinzufügen, wird aus einem Nischenkunststoff ein Superplastik. Die Fasern erhöhen die Festigkeit, Steifigkeit und Wärmebeständigkeit erheblich, und die durch die Kohlenstofffaser hinzugefügte Dimensionsstabilität bewirkt, dass der Kunststoffdruck sowie jeglicher FFF-Kunststoff existiert. In diesem Material gedruckte 3D-Teile eignen sich hervorragend für eine Vielzahl von Anwendungen und werden oft mit nicht gedruckten Teilen verwechselt. Das Onyx-Material von Markforged ist ein kohlefasergefüllter Kunststoff dieser Sorte.

Überfüllen von Nylon mit Kohlefasern ergibt ein völlig anderes Material. Die zusätzliche Kohlefaser erhöht die Festigkeit und Steifigkeit weiter, jedoch auf Kosten einer geringeren Druckqualität. Wenn die Konzentration der Kohlenstofffaserteilchen ansteigt, kann der Bindungsthermoplast das Drucksystem nicht richtig durchströmen, wobei Teile mit sichtbaren Fehlern und rauer Oberflächentextur übrig bleiben. Diese Materialien sind zwar an sich bemerkenswert, aber sie sind Nischenkunststoffen näher als Superplastiken.

Gefüllte Kunststoffe als 3D-Druckmaterialien.

Endlosfasern (CFF)

Während geschnittene Kohlenstofffasern bemerkenswert in ihrer Fähigkeit sind, Thermoplaste zu verstärken, können Endlosfasern den Bauteilen weit mehr Festigkeit verleihen. Markforged verwendet eine Kombination aus FFF-Druck und Continuous Fibre Fabrication (CFF), um Langstrangfasern in konventionell bedruckten thermoplastischen Teilen abzulegen.

Im Video wird der gigantische Mehrwert der Endlosfaser ganz einfach und anschaulich erklärt.

Diese Technologie basiert auch auf der Extrusion und wird über eine Sekundärdüse gedruckt. Statt jedoch das gesamte Filament zu schmelzen, nutzt es die Hitze seiner Düse, um Fasern in eine thermoplastische Schicht zu “bügeln”. Fasern schmelzen nicht – stattdessen werden sie von der thermoplastischen Matrix auf ähnliche Weise eingefangen, wie Duroplastklebstoffe wie Epoxidfasern bei herkömmlichen Faserherstellungsverfahren.

Die resultierenden Teile sind um eine Größenordnung stärker, steifer und haltbarer als Kunststoff (gefüllt oder nicht gefüllt) und behalten die Wärmebeständigkeit, chemische Beständigkeit und Druckqualität ihres thermoplastischen Matrixmaterials bei. Mit Markforged können Sie gehacktes, kohlefaserverstärktes Nylon (Onyx) mit Endlosfaserverstärkung bedrucken.

Metalle (ADAM)

Um mit Metall zu drucken, druckt der Markforged Metal X mit einer speziellen Form der FFF namens Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM). Ähnlich wie gefüllte Thermoplaste extrudiert die Maschine ein Filament, das aus einem mit kleinen Metallpulvern gefüllten Kunststoffbindemittel besteht, und zwar in einem Prozess, der nahezu identisch mit dem FFF ist. Das sich ergebende Teil wird zur Entfernung von Bindematerial gewaschen und gesintert, um ein Metallteil zu erhalten. Diese Teile sind vollständig aus Metall, haben aber ähnliche geometrische Eigenschaften wie herkömmliche FFF-Kunststoffteile. Um mehr über den Prozess zu erfahren, sehen Sie sich die Detailseite des Metal X an.

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