Unter Werkstoffingenieuren im Bereich Design for Additive Manufacturing (DfAM) herrscht seit Langem die Annahme, dass additiv gefertigte Thermoplaste ihren spritzgegossenen Pendants grundsätzlich unterlegen sind. Im herkömmlichen Fused Filament Fabrication (FFF) weisen Bauteile häufig anisotrope mechanische Eigenschaften auf, wobei die vertikale (ZX-)Achse nur einen Bruchteil der Festigkeit in der horizontalen (XY-)Bauebene erreicht.

Orion AM entwickelt Lösungen für diese Einschränkungen durch eine fortschrittliche thermische Prozessführung und zeigt, dass diese Schwäche keine inhärente Grenze von Polymeren wie Polyetheretherketon (PEEK) und vergleichbaren Ultrahochtemperatur-Kunststoffen ist. Vielmehr ist sie die Folge einer nicht optimierten thermischen Vorgeschichte während der Ablage.

Durch eine präzise Steuerung der thermischen Vorgeschichte von PEEK können additive Fertigungssysteme bei 3D-gedruckten Bauteilen Spritzgussfestigkeit erreichen – mit hoher relativer Dichte und nahezu isotroper mechanischer Leistungsfähigkeit direkt von der Bauplattform.

Steuerung der thermischen Vorgeschichte & Polymerphysik

PEEK ist ein teilkristalliner Thermoplast mit einem Schmelzpunkt von 343°C und einer Glasübergangstemperatur von 143°C. Seine mechanische Leistungsfähigkeit, einschließlich hoher Zugfestigkeit, Steifigkeit und chemischer Beständigkeit, hängt stark von der Bildung und Ausrichtung seiner kristallinen Strukturen ab.

Bei der Verarbeitung teilkristalliner Polymere in Standard-Drucksystemen ist die thermische Vorgeschichte jeder abgelegten Raupe fragmentiert:

1. Extrusion und schnelle Abkühlung: Das geschmolzene Polymer tritt mit Temperaturen über 380° C aus der Düse aus und trifft sofort auf kühlere Umgebungsluft.
2. Temperaturunterschiede zwischen den Lagen: Sinkt die Oberflächentemperatur der darunterliegenden Lage unter den Glasübergangspunkt, bevor die nächste Raupe aufgetragen wird, kommt die Diffusion der Polymerketten über die Grenzfläche zum Stillstand.
3. Bildung von Mikrohohlräumen: Eine unvollständige molekulare Verschlaufung erzeugt Spalte zwischen den Lagen und innere Porosität innerhalb der Lagen. Die Folge sind relative Dichten zwischen 87 % und 95 % und eine starke Ablösung in Z-Richtung unter Last.

Um strukturell mit dem Spritzguss gleichzuziehen, muss die thermische Vorgeschichte des Polymers so gesteuert werden, dass die Grenzfläche im optimalen thermodynamischen Zustand für molekulare Interdiffusion und gleichmäßige Kristallisation bleibt.

In-situ-Kristallisation: Tempern als Nachbearbeitung entfällt

In herkömmlichen Prozessabläufen werden gedruckte PEEK-Bauteile häufig einer sekundären Nachbearbeitung wie dem Tempern im Ofen unterzogen, um die Kristallisation anzuregen und innere Spannungen abzubauen. Zwar kann eine Wärmebehandlung nach dem Druck die Gesamtkristallinität erhöhen, doch Untersuchungen zeigen, dass sie innere Hohlräume nicht schließen und keine Mikroporosität beheben kann, die bereits während der Ablage in der Struktur eingeschlossen wurde. Vor allem aber kann Tempern die Haftung zwischen Lagen, die beim Druck nicht richtig verschmolzen sind, nicht verbessern. 

Für eine optimale Lagenhaftung muss die In-situ-Kristallisation beim PEEK-3D-Druck dynamisch während des Bauprozesses stattfinden. Das proprietäre Thermal-Radiation-Heating-(TRH-)Verfahren von Orion AM erreicht dies durch eine entkoppelte thermische Mehrzonenarchitektur:

• Hochtemperaturregelung: Ein geschlossener Bauraum mit bis zu 315° C (mit Druckbettregelung bis 320° C) hält das thermische Gleichgewicht der Umgebung aufrecht und verhindert vorzeitiges thermisches Schrumpfen.
• Fokussierte Beheizung: Jede gedruckte Lage wird auf ihre ideale Verschmelzungstemperatur erwärmt, was die Verbindung mit der nachfolgenden Lage verbessert.

Durch die Kombination aus ungerichteter Wärmestrahlung für die geometrische Gesamtstabilität und fokussierter Präzisionsbeheizung behalten die Polymerketten genügend Wärmeenergie, um während der Ablage über die Lagengrenzen hinweg zu kristallisieren. Dies ermöglicht eine In-situ-Teilkristallisation zwischen und innerhalb der Lagen während des Drucks, sodass Temperschritte nach dem Druck entfallen.

Empirische Fallstudie: mechanische Leistungsfähigkeit von Solvay KetaSpire® PEEK 

Um das mechanische Ergebnis dieser gesteuerten thermischen Vorgeschichte zu bewerten, wurden unabhängige Prüfungen durch Dritte an handelsüblichem KetaSpire® PEEK von Syensqo (ehemals Solvay) durchgeführt, das mit dem TRH-System von Orion AM verarbeitet wurde.

1. Dichte und Porosität

Mikro-CT-Scans und Dichtemessungen nach dem archimedischen Prinzip bestätigen, dass mit TRH gedruckte PEEK-Bauteile eine relative Dichte von bis zu 99,95 % erreichen. Die nahezu vollständige Beseitigung innerer Hohlräume erzeugt eine homogene innere Struktur, die mit massivem, spritzgegossenem Material vergleichbar ist.

2. Zugfestigkeit und Isotropie

Zugversuche in den Standardorientierungen zeigen, dass die Strahlungsheizung eine Verbindungsfestigkeit in vertikaler Z-Richtung ermöglicht, die die Spritzguss-Referenzwerte erreicht oder übertrifft:

Daten: Prüfung von Solvay KetaSpire® PEEK durch Dritte, verarbeitet im TRH-Verfahren von Orion AM.

In vertikaler (ZX-)Orientierung gedrucktes KetaSpire® PEEK von Syensqo (Solvay) erreichte eine Zugfestigkeit von 95,4 MPa und übertraf damit den Referenzwert von 91,0 MPa für Standard-Spritzguss. Da sich die Lagenhaftung der Eigenfestigkeit des extrudierten Polymerstrangs annähert, wird die mechanische Leistungsfähigkeit praktisch unabhängig von Druckorientierung und Füllwinkel.

Fazit

Die Annahme, 3D-gedruckte Polymere seien grundsätzlich schwächer als Spritzgussteile, spiegelt die thermodynamischen Grenzen herkömmlicher Umgebungsbeheizung wider, nicht die Materialgrenzen von PEEK und vergleichbaren Werkstoffen. Durch die Steuerung der thermischen Vorgeschichte des Polymers mit gezieltem Thermal Radiation Heating können additive Systeme bis zu 99,95 % relative Dichte, In-situ-Teilkristallisation und vertikale Zugeigenschaften erreichen, die Spritzguss-Referenzwerte erfüllen oder übertreffen.