Wir haben in unseren Artikeln bereits über die verschiedenen flammhemmenden und feuerfesten Materialien gesprochen, die derzeit für den 3D-Druck auf dem Markt erhältlich sind und heute in verschiedenen Formen wie Filamenten, Harzen oder Pulvern existieren. Diese Materialien, die die Ausbreitung von Flammen verzögern oder verhindern können, werden in zahlreichen Bereichen eingesetzt, in denen eine hohe Brandgefahr besteht oder in denen die Sicherheitsvorschriften den Einsatz von Brandschutzvorrichtungen vorschreiben. Heute gibt es zahlreiche feuerfeste und flammhemmende Materialien auf dem Markt und immer mehr Materialien werden speziell für die additive Fertigung entwickelt. Hier konzentrieren wir uns auf Kunststoffe. Aber was sind die Eigenschaften dieser Materialien und welche Vorteile bietet ihre Verwendung in Kombination mit dem 3D-Druck? Welche Anwendungsmöglichkeiten gibt es? Das sehen wir uns in diesem Artikel genauer an!
Eigenschaften von flammhemmenden Materialien
Zunächst einmal sollte zwischen feuerfesten und flammhemmenden Materialien unterschieden werden. Denn obwohl der Unterschied subtil ist, gibt es einen. Feuerfeste Materialien sind so konzipiert, dass sie dauerhaft feuerbeständig sind. Diese Eigenschaft ist auf ihre natürlichen strukturellen Eigenschaften oder den Herstellungsprozess zurückzuführen. Flammhemmende Materialien hingegen sind Materialien, die durch spezielle chemische Behandlungen in die Lage versetzt werden, die Ausbreitung von Feuer zu verlangsamen. Sie können selbstlöschend sein, ihre Widerstandsfähigkeit hängt jedoch von der aufgebrachten chemischen Beschichtung ab. In beiden Fällen zeichnen sich diese Materialien dadurch aus, dass sie bei Einwirkung von Feuer in der Regel eine geringe Entflammbarkeit aufweisen, nur wenig Rauch und giftige Gase abgeben und eine kontrollierte oder minimale Verbrennungsgeschwindigkeit haben.
ULTEM 9085 ist eines der leistungsstarken und flammhemmenden Materialien, die im 3D-Druck verwendet werden.
In der additiven Fertigung werden beide Arten von Materialien verwendet, sei es in Form von Harzen, Filamenten oder Polymerpulvern. Diese Materialien werden durch spezifische Tests als flammhemmend katalogisiert und zertifiziert. Insbesondere Kunststoffe werden gemäß der Norm UL94 getestet, einem internationalen Standard, der von Underwriters Laboratories (UL) entwickelt wurde, um das Verhalten von Kunststoffen bei Flammeneinwirkung zu klassifizieren. Im Einzelnen sieht UL94 die Prüfung eines Materials nach verschiedenen Variablen vor, darunter Horizontal Burning (HB), mit dem getestet wird, ob das Material in horizontaler Position langsam brennt, und Vertical Burning, mit dem das Material in vertikaler Position getestet wird. Letzteres kann je nach Reaktion der Materialien auf die Tests drei Zertifizierungsgrade (V-0, V-1, V-2) haben. Die Zertifizierung V-0 ist die beste und wurde für viele feuerfeste oder flammhemmende Materialien für den 3D-Druck vergeben. Das Hauptmerkmal von Materialien mit der Zertifizierung UL94 V0 ist, dass sie bei Kontakt mit Flammen innerhalb von zehn Sekunden aufhören zu brennen, ohne brennende Tropfen zu bilden.
Darüber hinaus gibt es für Materialien, die speziell in der Luftfahrtindustrie verwendet werden, eine zusätzliche Zertifizierung durch die amerikanische Luftfahrtbehörde FAA (Federal Aviation Administration). Dabei handelt es sich um das Brandschutzprüfverfahren FAR 25.853, mit dem sichergestellt wird, dass die in Flugzeugen verwendeten Materialien bestimmte Leistungskriterien erfüllen, wenn sie Hitze oder Flammen ausgesetzt sind.
3Deus Dynamics hat mittels additiver Fertigung Verbundsilikone für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt. Diese sind extrem temperaturbeständig bis zu 1200°C und verhindern die Ausbreitung von Flammen für 15 Minuten. (Bild: 3Deus Dynamics)
Flammhemmende oder feuerfeste Materialien können im 3D-Druck mit einer Vielzahl von Technologien verwendet werden, von FDM über Harzverfahren bis hin zu Technologien auf Pulverbasis. In Kombination mit der additiven Fertigung ermöglichen diese Materialien eine Vielzahl von Anwendungen. Darüber hinaus ermöglicht die additive Fertigung eine bessere Kontrolle der Materialien und ihrer Temperatur, sodass die Definition ihrer intrinsischen Eigenschaften bei einigen Technologien während des Druckprozesses geändert und angepasst werden kann. Denken wir beispielsweise an die Möglichkeit, im additiven Fertigungsprozess Verbundwerkstoffe herzustellen, eine Technik, die enorme Möglichkeiten und Anwendungen eröffnet. Hinzu kommt der bekannte Vorteil des 3D-Drucks, der die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien ermöglicht, die sonst nicht realisierbar wären. All dies fördert zunehmend den Einsatz des 3D-Drucks dieser Materialien in verschiedenen Branchen.
Anwendungen
Die Anwendungen von flammhemmenden und feuerfesten Materialien sind, wie bereits erwähnt, vielfältig, konzentrieren sich jedoch vor allem auf Bereiche mit hoher Brandgefahr, wie Luft- und Raumfahrt, Öl und Gas sowie Automobilindustrie. Hochleistungswerkstoffe wie das V-0-zertifizierte ULTEM 9085 werden beispielsweise für den 3D-Druck von Flugzeuginnenausstattungsteilen wie Verkleidungen oder Teilen von Belüftungssystemen verwendet. Diese Materialien, die sowohl eine hohe Leistungsfähigkeit als auch einen Brandschutz gewährleisten, können auch in der Automobil- und Transportbranche zur additiven Fertigung von Innenausstattungsteilen für Eisenbahnwaggons oder Karosserieteilen für Autos verwendet werden, aber nicht nur.
3D-gedruckte Teile für die Elektronikbranche mit dem Harz Cubicure Evolution FR (Bild: Cubicure).
Andere Arten von Materialien, wie Harze, beispielsweise Cubicure Evolution FR (UL94 V0), werden auch in der Elektronikbranche für die additive Fertigung kleiner und detaillierter Teile verwendet, die dazu dienen, die Ausbreitung von Flammen im Falle eines Kurzschlusses oder Brandes zu verhindern. Darüber hinaus finden diese Materialien auch in Bereichen Anwendung, in denen hohe Sicherheitsstandards gewährleistet und Brandschutzvorschriften eingehalten werden müssen. Denken wir beispielsweise an die Baubranche, wo feuerfeste Decken, Türen oder Verkleidungen im 3D-Druck hergestellt werden können, oder auch an den medizinischen Bereich, wo bestimmte medizinische Geräte und Vorrichtungen aus feuerfesten Materialien hergestellt werden, um hohen Sicherheitsstandards zu entsprechen.
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*Titelbildnachweis: Formlabs