Kunststoffpulver für den 3D-Druck

von Marcel

Einsatz von Kunststoffpulver in der additiven Fertigung

Neben Filament, Resin(Kunstharz) und der Folie gibt es eine weitere Ausgangsform für 3D-Druckmaterial, das Pulver.

Diese Materialform als Ausgangsmaterial wurde zuerst von Carl Deckard bei der Entwicklung der SLS-Drucktechnologie genutzt.

In Laufe der Jahre verbreitete sich diese Form unter diversen Drucktechnologien. Besonders in der Industrie ist der Pulverdruck weit verbreitet.

Was macht es so besonders?

Der große Vorteil im Vergleich zu Filament und Kunstharz liegt in seiner Vielseitigkeit. Das gilt nicht nur für die verwendbaren Materialien, sondern auch für die Art der Verarbeitung.

Pulver wird wie bei der SLS-Drucktechnologie mittels eines Hochleistungslaser-Strahls verschmolzen. Es besteht auch die Möglichkeit, die Kügelchen mit Hilfe von UV-Licht oder Infrarot-Lampen sowie eines speziellen Bindemittels miteinander zu vernetzen.

Je nach Druckverfahren können so Kunststoffe, Metalle, Keramik, Gips oder Sand verarbeitet werden.

In diesem Beitrag werden wir uns speziell mit den Kunststoffen beschäftigen.

Wie sieht es aus?

Die Farben der verschiedenen Sorten sind unterschiedlich. Je nach Hersteller und Druckverfahren ist das Material in den meisten Fällen weiß oder grau.

Das weiße Pulver wird größtenteils dann verwendet, wenn eine mögliche Farbgebung in Spiel kommt, beispielsweise beim 3D-Drucker JF580 von HP.

Es gibt mittlerweile auch komplett blau durchgefärbtes Druckmaterial, dass für die Herstellung von Bauteilen in der Lebensmittelbranche interessant ist.

Die Korngrößen bei den Kunststoffen liegen zwischen 0,08mm - 0,11mm.

Das Material wird in Kunststoffkartuschen oder Blechbehältern geliefert.

Pulver aus PA12

Wie wird es im 3D-Drucker verarbeitet?

Anhand der Multi Jet Fusion Technologie (MJF) von HP soll dargestellt werden, wie das Material verarbeitet wird.

Bei der additiven Fertigung wird das Pulver in der Regel Schicht für Schicht gleichmäßig im Druckraum verteilt. Es entsteht das sogenannte Pulverbett.

Dieses Bett wird während des gesamten Druckes unterhalb des Schmelzpunktes aufgewärmt.

Bei MJF benetzt eine wärmeleitende Flüssigkeit die laut 3D-Modell vorgesehenen Körnchen. Nach diesem Vorgang fährt eine Infrarot-Lampe über den kompletten Druckraum und härtet nur die benetzten Pulverkörnchen aus.

Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das modellierte Bauteil fertig gedruckt ist.

Wenn der Druckraum ausgekühlt ist, kann das Bauteil aus dem Pulverkuchen entnommen werden.

Bei Pulverdruckverfahren werden keine Stützstrukturen benötigt, da die Stützfunktion vom Pulverbett, also dem lose bzw. nicht ausgehärteten Material übernommen wird.

Sonstige Drucktechnologien, die ebenfalls mit Pulvermaterial arbeiten, nutzen für den Verschmelzung andere Prozesse. Wer mehr darüber mehr erfahren möchte, findet bei den einzelnen 3D-Druckverfahren nähere Erläuterungen.

Welche Sorten gibt es?

Die Kunststoffpulver finden gerade in der Industrie eine hohe Resonanz, da ähnliches Material verarbeitet werden kann, welches oftmals auch in der konventionellen Fertigung (wie Spritzguss) zum Einsatz kommt.

Mittlerweile sind diese Kunststoffpulver inklusive der dazugehörigen Druckverfahren so weit entwickelt, dass damit eine wirtschaftliche Serienfertigung realisiert werden kann.

Die folgende kleine Auflistung zeigt eine Reihe von Materialien, die mit verschiedenen Druckverfahren verarbeitet werden können.

  • Polymid(PA) mit den verschiedensten Zusätzen
  • PA 11
  • PA 12
  • PA 12 GB (mit Glaskugelanteil)
  • PA 12 mit Aluminiumanteil
  • PA 12 Carbonfaserverstärkt
  • PA 2210 FR (PA 12 Flammgeschützt)
  • PACA (Polyamidcarbon)
  • PP (Polypropylen)
  • PEKK (Polyetherketonketon)
  • PS (Polystyrol)
  • TPA (Thermoplastisch Polyether-Polyamide)
  • TPU (Thermoplastisches Polyurethan)

Bildquelle: www.printingsolutionpartner.de

Welche Druckverfahren nutzen es?

Folgendene Druckverfahren nutzen diese Materialform:

  • Laser - SLS- Selektives Laser Sintern
  • Infrarot Licht und Bindemittel - MJF- Multi Jet Fusion
  • Nur Bindemittel - BJ -Binder Jetting, 3DP – 3d Printing, CJP – Color Jet Printing

In welchen Branchen wird es genutzt?

Pulverdruck kommt in den verschiedensten Industriebereichen zum Einsatz. Dabei sprechen wir nicht mehr nur von Prototypen. Serien bis zu 10000 Stück können mittlerweile wirtschaftlich realisiert werden.

Davon profitieren Branchen, die keine Massenware produzieren und verkaufen möchten bzw. können.

Neben dem Maschinen- und Anlagenbau wird auch besonders in der Medizinbranche mehr und mehr Kunststoffpulver verdruckt. Dabei ist die Herstellung von individuellen Orthesen unterdessen ein wichtiger Absatzmarkt.

Die rasante Entwicklung im Bereich Materialforschung wird in Zukunft noch einige Branchen für den 3D-Druck begeistern können.

Aufgrund ihres Preises und des notwendigen Zubehörs (Strahlkabine, Pulveraufbereitung, etc.) sind 3D-Pulverdrucker hauptsächlich für die Industrie geeignet.

Nacharbeit

Das additive Pulverdruckverfahren funktioniert ohne Stützstrukturen. Als Stütze dient hier das lose Material im sogenannten Pulverbett.

Alle Bauteile, die mittels  3D-Druck hergestellt werden, müssen von den losen Partikeln befreit werden. Dies geschieht durch Abstrahlen mit Glasperlen in einer dafür vorgesehenen Strahlkabine.

Je nach Strahlgut und Höhe des Drucks, mit dem die Glasperlen auf das Bauteil treffen, kann damit die „raue“ Oberfläche gleichzeitig geglättet werden.

Gerade bei filigranen Modellstrukturen ist hier jedoch Fingerspitzengefühl gefragt.

Veredelung

Die Veredelungen unterscheiden sich nach dem jeweils verwendeten Druckverfahren.

Oberflächenbehandlung:

  • Vapor Smoothing
  • Epoxidharz Beschichtung
  • Polieren
  • Einfärben
  • Lackieren
  • Metall überziehen (galvanisieren)
  • Strahlen

Vor- und Nachteile

Pros

  • Hohe Designfreiheit
  • Große Materialvielfalt
  • Keine Stützstrukturen nötig
  • Verwendung von Hochleistungskunststoffen
  • Farbige Druckmodelle möglich
  • Verschiedene Oberflächenbehandlungen möglich

Cons

  • Hohe Anschaffungskosten für 3D-Drucker
  • Oftmals nur herstellerinternes Material verwendbar
  • Zusätzliches Zubehör wie Strahlkabine und Industriestaubsauger notwendig
  • Raue Oberfläche der gedruckten Bauteile

Wirtschaftliche Faktoren

Worauf sollte beim Kauf geachtet werden?

Einige der großen 3D-Druckermarken setzen auf geschlossene Systeme. Bei diesen 3D-Druckern kann nur mit den herstellereigenen Materialien gearbeitet werden.

Da diese für den speziellen Druckprozess entwickelt worden sind, ist es auch ratsam, sie zu nutzen.  

Die Bereitstellung von sogenanntem Testmaterial wie bei Filament- oder Resindruckern üblich, wird hier eher nicht der Fall sein.

Was kostet das Pulver?

Im Vergleich zu anderen Druckmaterialien ist diese Materialform höheren Preissegment einzuordnen. Da ausschließlich mit Kunststoffen gearbeitet wird, die im Industriesektor verwendet werden, sind die Materialkosten entsprechend hoch.

Kunststoffe, die generell spezielle Eigenschaften aufweisen oder den Konstruktionskunststoffen zuzuordnen sind, werden zwischen 75€-300€ pro kg gehandelt.

PA ca. 75€ - 200€ pro kg

TPU ca. 150€ - 300€ pro kg

Für die Hochleistungskunststoffe wie PEEK konnte ich noch keine frei zugänglichen Preise finden.

Lässt es sich recyceln?

Das Thema Recycling spielt bei der additiven Fertigung Jahr für Jahr eine immer wichtigere Rolle. Auch die großen Druckerhersteller arbeiten daran, Materialien und Drucksysteme so zu entwickeln, das ungenutztes Pulver wiederverwendbar wird.

In den Anfangszeiten des 3D-Drucks musste das lose Pulver oftmals entsorgt werden. Die Wärme, die im Bauraum erzeugt wurde, um Spannungen im Bauteil zu verhindern, hat die Struktur des losen Materials so verändert, das dieses anschließend nicht mehr zu gebrauchen war.

Das ganze „verlorene“ Material war ein hoher Kostenfaktor.

Hier musste die Industrie Lösungen finden, um den 3D-Pulverdruck marktfähiger zu machen.

Heute wird das ungenutzte Pulver mit frischem Pulver vermischt. Die Auffrischrate liegt bei 70:30 oder 80:20, je nach Drucksystem. Es wird also ein Großteil des „Altpulvers“ mit „Neupulver“ vermischt und weiter damit gedruckt.

Das Vermischen erfolgt bei den meisten Druckverfahren in separaten Maschinen. Der JF 580 von HP ist einer der wenigen 3D-Drucker, der das „Recyceln“ also das Auffrischen des Altpulvers in der Maschine selbst vornimmt.

Fachdienstleister, die sich auf die Entsorgung und das Recyclen von Kunststoffen spezialisiert haben, schmelzen die Materialreste zusammen. Die Materialblöcke werden anschließend zu Granulat weiterverarbeitet und so dem Rohstoffkreislauf wieder zugeführt.  

Worauf sollte unbedingt geachtet werden? 

Neben der Strahlkabine wird je nach Drucksystem ein Industriestaubsauger zur Reinigung des 3D-Druckers benötigt.

Dieser muss bestimmte Brandschutzbestimmungen und Normen erfüllen, damit es durch das Ansaugen der Partikel nicht zu Funkenflug bzw. Bränden kommt.

Diese Preise für diese Industriestaubsauger beginnen bei einem Betrag von ca. 2000€. Das sollte bei der Kostenplanung mit bedacht werden.


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