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

In den letzten Jahren wurde die Verwendung von Hochleistungsthermoplasten immer wichtiger in der 3D-Druckbranche, da 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 bestimmte Metalle dar und finden daher Einsatz in Branchen wie der Medizintechnik oder 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. Werfen wir nun einen Blick auf die Hauptmerkmale von PEI/ULTEM.

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 führende 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.

(Bild: GEWO3D)

Herstellung und Eigenschaften von ULTEM/PEI

ULTEM® ist eine Familie von amorphen thermoplastischen Materialien, die aus Polyetherimid (PEI) hergestellt werden. Eine seiner wichtigsten Eigenschaften ist seine Flammhemmung: Es weist eine hohe Flammenbeständigkeit, eine geringe Rauchentwicklung und eine geringe Toxizität auf. Diese Eigenschaften zeigen sich in sehr guten Ergebnissen bei FST-Tests (Flame, Smoke, Toxicity). ULTEM® besitzt daher eine hohe Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, die durch einen relativen Wärmeindex (RTI) von bis zu 180 °C gekennzeichnet ist. ULTEM zeichnet sich außerdem durch eine hohe Festigkeit, Steifigkeit und Dimensionsstabilität, eine gute Kriechbeständigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit aus. Die verschiedenen ULTEM-Sorten verfügen außerdem über ein hohes Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit und können aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer hohen Bearbeitbarkeit sogar einige Metalle ersetzen. Diese Materialien gibt es in verschiedenen Farben, transparent oder opak. ULTEM-Werkstoffe behalten ihre Festigkeit und sind resistent gegen Spannungsrisskorrosion, wenn sie Auto- und Flugzeugflüssigkeiten, aliphatischen Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Säuren und schwachen wässrigen Lösungen ausgesetzt werden. ULTEM® 1010 weist eine hohe Zugfestigkeit, Festigkeit und Haltbarkeit auf. Es ist biokompatibel und nach NSF 51 für den Kontakt mit Lebensmitteln zertifiziert. Außerdem kann es auch dampfsterilisiert werden.

Erwähnenswert sind auch die ULTEM-Copolymere, die eine noch höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen und sich an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der chemischen Eigenschaften und der Elastizität anpassen lassen. SABIC hat außerdem eine erneuerbare Produktreihe mit ISCC+-Zertifizierung auf den Markt gebracht. Diese ULTEM-Sorten, die aus Abfällen und Reststoffen entwickelt wurden, weisen eine ebenso hohe Leistung und Verarbeitbarkeit auf wie die aus fossilen Brennstoffen hergestellten Materialien. Mitte 2023 werden erneuerbare ULTEM-Materialien mehr als ein Viertel der von SABIC angebotenen ULTEM-Materialien ausmachen.
SABIC bietet heute 140 ULTEM®-Sorten an. Besonders hervorzuheben ist ULTEM™ 9085 CG, das in der Luft- und Raumfahrtindustrie für die Innenausstattung von Kabinen, aber auch im Eisenbahnbereich eingesetzt wird. ULTEM HU1010 wird für medizinische Geräte und pharmazeutische Anwendungen verwendet und ist biokompatibel.

ULTEM/PEI im 3D-Druckverfahren

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

Beim Drucken von ULTEM® ist das Temperaturmanagement von entscheidender Bedeutung. Die Temperatur in der Kammer muss konstant gehalten werden, da es sonst zu Unregelmäßigkeiten kommen kann und die Haftung der einzelnen Schichten beeinträchtigt wird. Die Glasübergangstemperatur, bei der ein amorphes Polymer von einem harten/glasartigen Zustand in einen weichen/gummiartigen Zustand übergeht und umgekehrt, ist bei ULTEM sehr hoch und kann bei ULTEM1010 bis zu 217 °C (185 °C bei ULTEM9085) betragen. Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, sollte die Temperatur in der Druckkammer etwas unter der Glasübergangstemperatur liegen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Teile die richtigen Maße haben und ihre mechanischen Eigenschaften erhalten bleiben. Eine zu niedrige Temperatur könnte dazu führen, dass sich das Teil verzieht oder sogar reißt. Nach Abschluss des Druckvorgangs muss die Druckkammer langsam und gleichmäßig abgekühlt werden, damit auch die Abkühlung des Teils allmählich erfolgt.

Anwendungsbereiche von ULTEM/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.

SABIC hat einen Support für ULTEM® entwickelt

Auf der Herstellerseite liefert SABIC das Rohmaterial für ULTEM. Das Unternehmen stellt seine eigenen Filamente für die additive Fertigung her: Historisch gesehen waren sie nur mit der Maschinenreihe von Stratasys kompatibel, aber seit einigen Jahren ist SABIC weitere Partnerschaften eingegangen, wie mit Roboze, das das ULTEM™-Filament AM9085F drucken kann. Einige Hersteller bieten ihre eigenen Filamente an, wie KIMYA, 3DXTech oder 3D4Makers.

Schließlich sollten Sie wissen, dass der Hersteller SABIC, falls Sie vorhaben, mit ULTEM® zu drucken, ein abnehmbares Stützfilament, AMS31F, auf den Markt gebracht hat, das leichter zu entfernen ist als andere Stützmaterialien, die oft erst erwärmt werden müssen. So kann das Werkstück alle seine mechanischen Eigenschaften behalten und der Benutzer spart wertvolle Zeit.

Im Vergleich zu PEEK, ist PEI deutlich kostenfünstiger: Ein Kilo kostet 150 Euro, während man für die gleiche Menge an PEEK mindestens 300 Euro aufwenden muss. Es ist ein Material, das den Vorteil hat, für eine Reihe von Luft- und Raumfahrtanwendungen zertifiziert zu sein, die sehr standardisierte Anforderungen erfüllen. PEI weist jedoch eine geringere Schlagzähigkeit und Temperaturbeständigkeit auf.

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