PEI / ULTEM® als Material für den 3D-Druck

In den letzten Jahren wurde die Verwendung von Hochleistungsthermoplasten immer wichtiger in der 3D-Druckbranche, weil der 3D-Druck längst nicht mehr das Prototyping als Ziel hat, sondern auch in der Fertigung von Endprodukten immer wichtiger wurde. Somit sind die Anforderungen an 3D-Druckmaterialien gestiegen und die Hochleistungsthermoplasten konnten sich immer weiter durchsetzen. Durch deren Eigenschaften stellen sie eine kostengünstige Alternative für Stahl dar und finden daher Einsatz in Branchen wie der der Luft- und Raumfahrt. Unter den Hochleistungsthermoplasten ist besonders die Familie der Polyaryletherketon (PAEK) bekannt, die hohen Temperaturen standhalten können. Wahrscheinlich sind Ihnen auch die Vertreter PEEK und PEKK geläufig. Eine deutlich kostengünstigere Alternative stellt Polyetherimid (PEI), auch bekannt unter dem kommerziellen Namen ULTEM®, dar, das häufig für den 3D-Druck in Filamentform in einer amorphen Struktur vorliegt und von bekannten Herstellern wie Stratasys angeboten wird. Wir werden uns in diesem Beitrag auf ULTEM in Filamentform fokussieren und Ihnen erklären, weshalb dieses Material so beliebt ist.

PEI wurde bereits 1981 von Joseph G. Wirth entwickelt und von General Electric Plastics unter dem Handelsnamen ULTEM® auf den Markt gebracht, weshalb das Material PEI häufig damit in Verbindung gebracht wird. 2007 kaufte SABIC die Kunststoffpatente auf. Heute gibt es neben SABIC weitere Unternehmen, die ULTEM® vertreiben, seitdem das Patent 2009 ausgelaufen ist. Nichtsdestotrotz ist SABIC weiterhin der einzige wichtigere Hersteller (Stand: August 2020). Zwar überzeugte ULTEM® durch dessen mechanischen Eigenschaften, jedoch wurde es erst durch das Aufkommen von FFF-Hochleistungsdruckern massen-tauglich. Grund hierfür ist, dass der Extruder des 3D-Druckers 350 Grad oder mehr erreichen können muss, um das Filament zu schmelzen.

Die Hauptmerkmale von ULTEM®

Beim Druck von ULTEM müssen Sie beachten, dass die hohe Druckkammertemperatur stetig aufrecht erhalten werden muss, weil es sonst zu Unebenheiten kommen kann und die Adhäsion der verschiedenen Schichten (beim Rückgriff auf einen FDM-Drucker) darunter leiden kann. Auch sollten Sie sich darüber im Klaren sein, dass Ihr Drucker eine Extrusionstemperatur von mindestens 350 Grad erreichen können muss, weil die Schmelztemperatur von ULTEM® zwischen 345 Grad und 400 Grad liegt.

Dank der bereits erwähnten hohen Schmelztemperatur kann ULTEM® dauerhaft einer Betriebstemperatur von 170 Grad ausgesetzt werden und verfügt dabei über eine hohe Kriechfestigkeit und Dimensionsstabilität, sodass gedruckte Teile eine lange Lebensdauer haben. SABIC bietet zwei verschiedene Materialien an: ULTEM® 9085 und ULTEM® 1010. Ersteres ist von Natur aus schwer entflammbar und schneidet bei FST-Tests (Flame, Smoke, Toxicity) sehr gut ab: Es hat eine hohe Flammbeständigkeit, eine geringe Rauchentwicklung und eine geringe Toxizität. Das Material hat auch ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und kann dank seiner mechanischen Eigenschaften sogar bestimmte Metalle ersetzen. Darüber hinaus weist es eine gute Beständigkeit gegenüber Kfz-Flüssigkeiten, Kohlenwasserstoff, Alkoholen und wässrigen Lösungen auf. Das Harz ULTEM® 1010 hat eine hohe Zugfestigkeit und weist eine große Festigkeit und Haltbarkeit auf. Es ist biokompatibel und NSF 51-zertifiziert für den Kontakt mit Lebensmitteln. Es kann auch einer Dampfsterilisation standhalten.

Ein 3D-gedrucktes Teil, das für den Weltraum entwickelt wurde (Bildnachweis : Stratasys)

Im Vergleich zu PEEK ist PEI kostengünstiger – es kostet 150 € pro Kilo im Vergleich zu mindestens 300 € für die gleiche Menge PEEK. Es handelt sich um ein Material, das den Vorteil hat, dass es für eine Reihe an Luft- und Raumfahrtanwendungen zertifiziert ist und hoch standardisierte Anforderungen erfüllt. PEI wird jedoch eine geringere Schlag- und Temperaturbeständigkeit aufweisen.

Anwendungsbereiche von PEI

Wie bereits beschrieben, ist PEI in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet, insbesondere ULTEM® 9085 aufgrund der oben genannten Eigenschaften. Außerdem wird es in der Automobil-, Medizin- und Lebensmittelindustrie, insbesondere bei der Gestaltung von Küchenutensilien, eingesetzt. Dieser Thermoplast wird auch häufig für Werkzeuge verwendet, sei es zur Konstruktion von Formen, Vorrichtungen oder verschiedenen Befestigungselementen. Beispielsweise verwendet der Flugzeughersteller Bombardier dieses Material zur Herstellung seiner kundenspezifischen Werkzeuge, zur Anpassung von Komponenten auf seinen Produktionslinien und auch zur Herstellung von Fertigteilen für seine Züge.

Nicht zuletzt ist SABIC heutzutage der einzige Anbieter, der das Rohmaterial in Form von Harz oder Schaumstoff liefert. Das Unternehmen stellt seine eigenen Filamente für die additive Fertigung her: Historisch gesehen waren sie nur mit der Stratasys-Maschinenreihe kompatibel, aber in den letzten Jahren hat SABIC weitere Partnerschaften geschlossen, wie z. B. mit Roboze, das das Filament ULTEM® AM9085F drucken kann. Einige Hersteller bieten ihre eigenen Filamente, wie KIMYA, 3DXTech oder 3D4Makers.

SABIC hat einen Support für ULTEM® entwickelt

Außerdem sollten Sie wissen, dass der Hersteller SABIAC für den Fall, dass Sie das Drucken mit ULTEM® in Erwägung ziehen, ein abnehmbares Stützfilament, das AMS31F, auf den Markt gebracht hat, das sich leichter entfernen lässt als andere Stützmaterialien, die oft aufgewärmt werden müssen. So kann das Teil alle seine mechanischen Eigenschaften behalten und der Anwender spart wertvolle Zeit.

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