PEEK als Material für den 3D-Druck

Polyetheretheretherketon, besser bekannt als PEEK, ist ein hochtemperaturbeständiger Thermoplast, der in der Fertigungsbranche für dessen besonderen mechanischen Eigenschaften bekannt ist. Seit einigen Jahren ist es ein beliebtes Material im Bereich der additiven Fertigung, das nun auch in Filamentform für alle FDM/FFF-Maschinen erhältlich ist und sich allmählich auch in Pulverform für SLS-Verfahren durchsetzt. PEEK wird hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin und in der Automobilindustrie verwendet. Es ist hitze- und abriebfest und kann aufgrund seines Gewichts/Festigkeitsverhältnisses anstelle bestimmter Metalle verwendet werden. Beachten Sie, dass es sich um ein sehr anspruchsvolles 3D-Druckmaterial handelt, das schwierig zu drucken ist und eine Reihe von Voraussetzungen erfordert. Was sind also dessen besonderen Eigenschaften beim 3D-Druck?

Herstellung und Eigenschaften von PEEK

PEEK ist ein Vertreter der PAEK-Familie (Polyaryletherketon), die für ihre hohen thermomechanischen Eigenschaften bekannt ist. Betrachtet man die Pyramide der verschiedenen Polymere in der Industrie, so steht PEEK an der Spitze der Pyramide, in der Kategorie der Hochleistungs-Polymere. Seine Molekularstruktur besteht aus einem Keton und zwei Ethern, organischen Verbindungen aus der Familie der Carbonylverbindungen, die eine Doppelbindung zwischen einem Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom aufweisen. Es wurde Ende der 1970er Jahre erstmals auf den Markt gebracht und erweckte dank dessen Leistungsfähigkeit schnell Interesse in Sektoren wie der Luftfahrt oder der Elektronik. Bei Betrachtung der Struktur fällt auf, dass es ein teilkristallines Polymer ist: Wenn es schmilzt, ordnen sich die Moleküle unter der Einwirkung von Wärme an und erzeugen eine besondere Anordnung, bis es vollständig erstarrt ist. Dies ermöglicht insbesondere die Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften bei einer Temperaturerhöhung. Diese teilkristalline Struktur hat zwar viele Vorteile, es ist jedoch zu beachten, dass bei der additiven Herstellung ein komplexerer Druckprozess erforderlich ist: PEEK ist ein äußerst anspruchsvolles Material, das Erfahrung und die entsprechenden Maschinen erfordert.

PEEK ist ein hochtemperaturbeständiges Material

Der 3D-Druck mit PEEK

Beim 3D-Druck muss der Kristallisierungsprozess von PEEK kontrolliert werden. Dabei kristallisiert ein Teil des Materials und es verändert sich so dessen Dichte. Daher müssen hohe Temperaturniveaus der Extrusion, Platte und des Gehäuses aufrechterhalten und Temperaturschwankungen dringend vermieden werden. Um mit diesem hochtemperaturbeständigen Thermoplast zu drucken, benötigen Sie daher einen 3D-Drucker mit einem Extruder, der 400°C erreichen kann, ein auf 120°C beheiztes Gehäuse und eine auf 230°C beheizte Heizplatte, um das Teil zu entfernen und Verformungen zu vermeiden. Durch die chemische Reaktion ändert das Material während des Druckens seine Dichte und zieht sich beim Abkühlen wieder zusammen.

Obwohl PEEK ein sehr anspruchsvolles Material ist, bietet es für Industrielle Zwecke sehr interessante mechanische und chemische Eigenschaften: Es ist sehr hitze- und verschleißfest, hat eine hohe chemische Beständigkeit, ist sterilisierbar und hat auch dielektrische (nicht elektrisch leitende) Eigenschaften. Polyetheretheretherketon bietet zudem ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und wird oft als Ersatz für bestimmte Metalle verwendet. Nicht zuletzt ist es schwer entflammbar, was es zu einem interessanten 3D-Druckmaterial für Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt macht, die hohe Brand- und Rauchentwicklungsanforderungen haben. Im Vergleich zu anderen Hochleistungsthermoplasten, wie ULTEM, übertrifft PEEK bei der mechanischen Festigkeit.

Bildnachweis: Apium

Anwendungsbereiche

PEEK ist besonders für den 3D-Druck im medizinischen Bereich interessant. Durch die Sterilisierbarkeit kann es für eine Reihe an Anwendungen eingesetzt werden, darunter auch für die Herstellung maßgeschneiderter Implantate. PEEK hat ähnliche Eigenschaften wie menschliche Knochen: Ein mit PEEK 3D-gedrucktes Implantat könnte daher die Rekonstruktion von Gewebe fördern und die Osseointegration, den knöchernen Heilungsprozess, beschleunigen. Tatsächlich haben sich einige Unternehmen dem 3D-Druck von PEEK zugewandt, um maßgeschneiderte medizinische Geräte zu entwerfen, so beispielsweise das Unternehmen FossiLabs.

Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie sind ebenfalls Märkte, in denen der 3D-PEEK-Druck üblich ist. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung von Hochleistungs-, Leichtbau-, Sonder- und On-Demand-Teilen: In Verbindung mit der Verwendung eines Hochleistungswerkstoffs ist es noch attraktiver. Der hochtemperaturbeständige Thermoplast kann eine höhere Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit bieten und gleichzeitig das Gewicht optimieren – eine Schlüsselkomponente in solchen Bereichen. Aus PEEK gefertigte Teile wurden bereits in das Weltall geschickt – ein Beweis dafür, dass dieses Material auch in den anspruchsvollsten Bereichen eingesetzt werden kann.

PEEK in der medizinischen Anwendung

Die wichtigsten Hersteller und Preise des Materials

Derzeit ist PEEK im 3D-Druck überwiegend in Filamentform erhältlich, die mit 3D-Druckern für die Schmelzabscheidung kompatibel ist. Auch kohlefaserverstärktes Polyetheretheretherketon ist auf dem Markt erhältlich. Chemiker wie Victrex, Solvay und Evonik sind die Hauptproduzenten des Materials. Aber auch die meisten Maschinenhersteller, wie beispielsweise Intamsys, 3DGence und Apium, produzieren das Filament. Das spanische Unternehmen Innovatefil, eine Tochtergesellschaft von Smart Materials 3D, bietet ebenfalls PEEK an. Bei Betrachtung des Preises fällt auf, dass PEEK ein sehr hochpreisiges Material ist: Der Preis liegt derzeit zwischen 350 € und 700 € pro Kilogramm. Zum Vergleich: Bei PEKK, einem anderen Hochleistungsthermoplast, liegt der Preis zwischen 400 und 500 € für ein Kilogramm. Für das SLS-Verfahren bot der Hersteller EOS als erster – und einziger – den Hochleistungswerkstoff PEEK HP3 an.

3DGence stellt PEEK als Filament her (Bildnachweis: 3DGence)

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