Kunststoffe in der additiven Fertigung

Sie sind in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken. Egal wo wir hinschauen, Sie begleiten uns überall. Wir verwenden sie als Verpackungsmaterial, als Kleidung, in Autos, in technischen Geräten uvm.

Durch ihre hohe Flexibilität und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen finden die Kunststoffe Anwendung in allen Lebensbereichen.

Gerade beim 3D Druck spielen Kunststoffe in fester oder flüssiger Form als Werkstoff eine große Rolle.

Die 3D-Drucktechnologie hat die Art und Weise, wie Produkte entworfen und hergestellt werden, revolutioniert. Dank der Fortschritte bei den Materialien ist es jetzt möglich, komplexe Formen und Objekte mit einer breiten Palette von Kunststoffen herzustellen.

Die Bandbreite wächst von Jahr zu Jahr, was auch ein rasantes Wachstum der Anwendungsgebiete für den 3D Druck zur Folge hat.  

Trotz bzw. gerade wegen ihrer guten Beständigkeit stellen sie auch ein großes Problem für die Umwelt da.

Wir müssen uns aber auch bewusst sein, dass die Menschen den aktuellen Lebensstandard auch gerade mit diesen Materialien erreicht hat. Kühlschränke, Computer, Flugzeuge, Handys…….

Die Liste könnte unendlich weitergeführt werden.

Der 3D Druck bietet uns eine unglaubliche Chance, große Mengen an Material einzusparen. Sei es mit Hilfe der Designoptimierung der Bauteile oder der Tatsache, dass nur die Menge wirtschaftlich produziert werden muss, die auch wirklich benötigt wird.

Um diese Ressourcen bewusst und vor allem sinnvoll zu nutzen, müssen wir zuerst wissen, was Kunststoffe eigentlich sind und wie sie hergestellt werden.

Was sind Kunststoffe?

Dies wird als Begriff verwendet, um Werkstoffe zu beschreiben die zum größten Teil aus Riesenmolekülen bestehen. Dies bedeutet, dass Kunststoffe, Polymere sind und aus sich wiederholenden Grundeinheiten, den Monomeren bestehen.

Ein Polymer kann auf natürlicher Basis, halb synthetisch und synthetisch hergestellt werden.

Die meisten, die wir kennen und verwenden, sind halb synthetisch oder synthetisch.

Sie werden aus natürlichen Rohstoffen wie Erdöl, Erdgas, Cellulose und Salz hergestellt.

Um aus diesen natürlichen Materialien Kunststoffe zu erzeugen, gibt es drei verschiedene Synthese-Verfahren. Polymerisation,Polykondensation und Polyaddition.

Nähere Informationen zur Herstellung sind in diesem Video zusammengefasst.

Welche Arten gibt es und was zeichnet sie aus?

Sie werden in drei große Gruppen unterteilt:

Die Thermoplaste, die Duroplaste und die Elastomere.

Thermoplaste können eingeschmolzen und neu in Form gebracht werden, z.B. PET-Flaschen

Duroplaste sind hitze- und formbeständig. Sie können nicht mehr neu in Form gebracht werden, z.B. Epoxidharze

Elastormere besitzen eine hohe Elastizität und sind nicht schmelzbar, z.B. Gummi

Kunststoffe zeichnen sich im Allgemeinen vor allem durch ihre vielseitigen technischen Eigenschaften wie Formbarkeit, Festigkeit, Steifigkeit, Härte, Zähigkeit, Temperatur – sowie Witterungsbeständigkeit und vielen weiteren aus.

Je nach der Wahl der Molekülart, des Herstellungsverfahrens und des Beimischens von Additiven können je nach Anwendungsgebiet spezielle Kunststoffe erzeugt werden.

Wo und wie werden sie angewendet?

Kunststoffe können speziell für verschiedene Anwendungsfelder hergestellt werden. Dies hat zur Folge, dass diese in allen Lebensbereichen und dort in den unterschiedlichsten Varianten vorkommen können.

Sie sind überall zu finden - von Spielzeug über lebensrettende medizinische Geräte bis hin zu Gartenmöbeln. Viele medizinische Geräte und Ausrüstungen, wie Herzschrittmacher und MRT-Scanner werden aus Kunststoff hergestellt. Polymere wie Nylon, Polyethylen und Polypropylen können zur Herstellung einer Reihe von Instrumenten verwendet werden. Auch Atemmasken bis hin zu Kathetern, bestehen auch Kunststoff. 

In der Lebensmittelbranche sind sie auch nicht mehr wegzudenken, sei es als Verpackungsfolie oder als Wasserflasche.

Die häufigste Verwendung findet in der Automobilindustrie statt, da sie viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien bieten. Ein besonderer Vorteil ist die Fähigkeit komplexe Formen anzunehmen. Dies macht Sie ideal für die Herstellung von Karosserieteilen, von Stoßfängern bis hin zu Außenverkleidungen. Außerdem lassen sich dadurch erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen erzielen, da die Produktionskosten bei Kunststoffen viel niedriger sind als bei anderen Materialien.

Des weiteren verfügen Sie über eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, so dass sie den harten Bedingungen eines Automotors standhalten können. Außerdem verwenden Automobilingenieure immer mehr Kunststoffe in Kraftstoffsystemen und Aufhängungskomponenten, da sie bei geringem Gewicht eine bessere Leistung bieten. Sie bieten ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Gewicht und erfreuen sich aufgrund ihrer kostengünstigen Herstellungsverfahren zunehmender Beliebheit bei den Automobilherstellern. Darüber hinaus macht das Recyclingpotenzial dieser Materialien immer attraktiver, die ihre Umweltbilanz verbessern wollen.

Hier gibt es eine schöne Übersicht, wo Kunststoffe bei einem Auto vorkommen.

Kunststoffe beim 3D Druck

Nicht nur im allgemeinen Leben spielen sie eine sehr wichtig Rolle, auch bei der additiven Fertigung finden wir sie überall.

Sie machen zurzeit und wahrscheinlich auch die nächsten Jahre die größte Materialgruppe aus, die mittels 3D Druck verarbeitet werden kann.

Gerade die Vielfalt von Kunststoffen in Einheit mit dem 3D Druck lässt oftmals kaum noch Wünsche bei der Produktherstellung offen. Es gibt kaum einen Kunststoff, der nicht gedruckt werden kann.

Bei der additiven Fertigung wird das Material nach dessen Ausgangsform unterschieden (z.B. Pulverform, festes oder flüssiges Material). Die genutzte Materialform entscheidet dann, welches Druckverfahren verwendet werden kann.

Kunststoffe werden beim 3D Druck zwischen folgenden Formen unterteilt:

Flüssige Kunststoffe

Der Begriff „Flüssigkunststoff“ bezeichnet in der Regel das Kunstharz, welches in Fachkreisen als Resin bekannt ist.

Feste Kunststoffe

Die Form der druckbaren festen Kunststoffe ist gegenüber den flüssigen deutlich vielseitiger. Hier wird zwischen Filament, Pulver, Granulat und Folie unterschieden.

Filament und Pulver werden aktuell am meisten verwendet.

Die Materialform ist ausschlaggebend, welches Druckverfahren genutzt werden kann.

Die Art der Verarbeitung der Materialien hat einen wesentlichen Einfluss auf die Bauteileigenschaften und demzufolge auf den Anwendungsbereich.

Um den Rahmen dieses Artikels nicht zu sprengen, habe ich spezielle Informationen zu den einzelnen Kunststoffformen in einem extra Beitrag zusammengestellt.  

Zusätzlich zu den allgemeinen Informationen werden auch die zu den Materialformen dazugehörigen Druckverfahren näher erläutert.