Flammhemmende Materialien für den 3D-Druck

Nach der Definition von Merriam-Webster ist ein Material schwer entflammbar, wenn es „so hergestellt oder behandelt ist, dass es nicht brennt“. Oder einfacher ausgedrückt: Im Gegensatz zur Flammwidrigkeit, bei der etwas unter Brandbedingungen normal funktionieren kann, verhindern ein flammhemmende Materialien aktiv die Ausbreitung von Bränden. Und wie Sie sich denken können, ist dies unglaublich wichtig, da der Markt für diese Materialien im Jahr 2022 auf 8,63 Milliarden geschätzt wird und Anwendungen wie Möbel, Textilien, Elektronik und sogar Baumaterialien umfasst. Auch in der additiven Fertigung von Endverbrauchsteilen, bei denen die Gefahr einer Verbrennung besteht, gewinnen sie zunehmend an Bedeutung, da immer mehr flammhemmende 3D-Druckmaterialien zur Verfügung stehen. In der folgenden Liste werfen wir einen genaueren Blick auf die verschiedenen Lösungen auf dem Markt, getrennt nach Filamenten, Harzen und Pulvern.

Filamente

Hochleistungsmaterialien

Hochleistungswerkstoffe sind eine Gruppe von Polymeren, die in der Lage sind, anspruchsvollen Umgebungen zu widerstehen, sei es in Bezug auf die Temperatur, aber auch in Bezug auf mechanische und chemische Beanspruchung. Es handelt sich um Materialien mit komplexen Temperaturprofilen, die häufig für industrielle Anwendungen eingesetzt werden, vor allem in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und im Eisenbahnsektor. In der Regel handelt es sich hierbei um von Haus aus flammhemmende Materialien.

Beginnt man mit PEEK, das zur PAEK-Familie gehört, weist es eine hohe Entflammbarkeitstemperatur auf und ist zudem mechanisch und chemisch sehr widerstandsfähig. Es gibt viele Hersteller von PEEK-Filamenten, darunter Victrex, Evonik, 3DXTech und andere. Ein weiteres Beispiel für flammhemmende Materialien ist PEKK, das keine giftigen Dämpfe abgibt. Es ist ein sehr verschleißfestes und flüssigkeitsbeständiges Polymer. Schließlich ist es schwierig, PEI – oder ULTEM – nicht zu erwähnen, wenn man von PEEK und PEKK spricht. Auch dieser thermoplastische Kunststoff ist flammhemmend. Übrigens ist ULTEM™ 9085 für Anwendungen mit geringem Feuer, Rauch und Toxizität (FST) zertifiziert und hat eine Entflammbarkeitsklassifizierung von UL 94 V-0.

Ebenfalls zu den Hochleistungsmaterialien gehört PVDF (Polyvinylidenfluorid), das flammhemmende Eigenschaften besitzt. PVDF ist bekannt für seine hohe chemische Beständigkeit und seinen niedrigen Reibungskoeffizienten, was es zu einem beliebten Material für die Herstellung von Muttern, Schrauben usw. macht. Auf der Seite der Hersteller von Filamenten für die additive Fertigung bieten Nanovia und Solvay PVDF an.

Schließlich können wir mit PPSU abschließen, das nicht nur ein interessantes Wärmeprofil aufweist, sondern auch als extrem hydrolysebeständig, wasserfest und schlagfest gilt. Forward AM, die Marke von BASF, bietet ein PPSU-Filament für den 3D-Druck an, das sich sehr gut für die Luft- und Raumfahrtindustrie eignen wird.

3D-gedruckte Teile mit PPSU (Bild: Zortrax)

Polycarbonate (PC)

Polycarbonate (PC) reihen sich ebenfalls in die Sammlung flammhemmender Materialien. Bei diesen handelt es sich um thermoplastische Kunststoffe. Sie zeichnen sich insbesondere durch ihre optische Klarheit bzw. Transparenz aus, weshalb sie als glasähnliches Material bekannt sind. Zudem besitzen sie eine hohe Robustheit, Schlagzähigkeit, Abriebfestigkeit sowie mechanische Festigkeit bis zu 140 °C, sind intrinsisch flammhemmend, wärmeformbeständig und werden durch ihre hohe Hitzebeständigkeit charakterisiert. Folglich sind sie auch in der Lage, wiederholter Dampfsterilisation standzuhalten. Außerdem verfügen sie über eine hohe Beständigkeit bis -20 °C. Polycarbonate finden im 3D-Druck in Form von Filament in einer Vielfalt von Branchen für die Herstellung von Prototypen Anwendung. Sie werden etwa für die Produktion von Autoscheinwerfern, Konstruktionsbauteilen, Formteilen, lichtdurchlässigen Gehäusen für elektrische Bauteile sowie Lampenschirmen verwendet, nicht zuletzt wegen ihrer guten Isolationseigenschaften und Lichtdurchlässigkeit. 1958 wurde das erste industriell relevante Polycarbonat von Bayer in Deutschland auf den Markt gebracht. Heutzutage wird das Material von verschiedenen Herstellern angeboten, darunter Polymaker, Kimya und UltiMaker.

Bild: 3djake

Andere verarbeitete Materialien: ABS und Polyamid

Obwohl sie wegen ihrer Robustheit und Vielseitigkeit im 3D-Druck weit verbreitet sind, sind ABS und Polyamid, zwei beliebte Thermoplaste, nicht von Natur aus flammhemmende Materialien. Sie können jedoch flammhemmend gemacht werden, indem man sie modifiziert und ihnen bestimmte spezifische Zusatzstoffe hinzufügt. Auf dem Markt gibt es flammhemmende ABS-Filamente wie das Fire FR-ABS von 3DXTech, das aus einem hochwertigen flammhemmenden ABS hergestellt wird, das nach UL94 V-0 eingestuft ist, was bedeutet, dass es eine ausgezeichnete Feuerbeständigkeit aufweist. Dieser Filamenttyp ist ideal für Anwendungen in Branchen wie der Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt, da er selbstverlöschende Eigenschaften aufweist. Auch das Polyamidfilament PA Rail Nanovia erfüllt die Anforderungen an die Flammwidrigkeit, da es speziell für die Anforderungen des Eisenbahnsektors entwickelt wurde. Das Filament besteht aus Polyamid (Nylon) und keramischen Flammschutzmitteln und sorgt für mehr Sicherheit im Brandfall, indem es die Ausbreitung der Flammen verhindert.

Bild: Polyfab3D

Harze

Formlabs Flammhemmendes Harz

Ebenfalls haben wir in unsere Liste für flammhemmende Materialien das Flame Retardant Resin von Formlabs aufgenommen. Es ist eine relativ schnelle und kostengünstige Lösung für die Herstellung selbstverlöschender Teile mit der SLA-Technologie (Stereolithographie). Es handelt sich um ein Harz, das hohen Temperaturen standhält, ohne im Falle eines Brandes Flammen zu verbreiten. Außerdem ist es resistent gegen Giftstoffe und Rauch. Mit der Norm UL 94 V-0 eignet sich dieses Harz für die Herstellung von Teilen in Branchen mit strengen Vorschriften wie Luft- und Raumfahrt, Elektronik oder Medizin. Die fertigen Teile versprechen eine langfristige Leistung in industriellen Umgebungen mit hohen Temperaturen und in der Nähe von Zündquellen. Die aus diesem Material hergestellten Teile sind nicht nur schwer entflammbar, sondern haben auch eine feste Oberfläche, so dass sie weiteren Bearbeitungen wie Gewindeschneiden und Bohren standhalten können. Nach einer 120-minütigen Nachbehandlung bei 80 °C haben die Teile eine Biegetemperatur unter Last von 111 °C bei 0,45 Megapascal (MPa), was zu starken, funktionellen Teilen führt.

Bild: Formlabs

EPX 86FR

EPX 86FR ist ein flammhemmendes Harz von Carbon. Es zeichnet sich durch seine Zähigkeit und Festigkeit aus. Es ist selbstverlöschend und auch BlueCard-zertifiziert. Durch das Einbrennen in einem inerten Ofen können seine funktionelle Zähigkeit und Schlagzähigkeit zusätzlich verbessert werden. Hervorzuheben ist auch, dass das flammhemmende Material sowohl sehr hohen Temperaturen standhält, aber auch Temperaturschwankungen, Temperaturschocks und Feuchtigkeitsschwankungen, ohne dass seine Eigenschaften negativ davon beeinflusst würden. EPX 86FR ist weitgehend chemische beständig und es findet nur eine geringe Reduktion der Zugeigenschaften bei chemischer Einwirkung statt.

EPX 86FR findet vor allem dort Anwendung, wo Zähigkeit, Flammwidrigkeit, Isotropie, Präzision und Oberflächengenauigkeit gefragt sind. Aus diesem Grund wird es in der Industrie eingesetzt, für Konsumgüter und die Automobilindustrie. Konkrete Beispiele sind etwa Gehäuse und Halterungen für Elektronik, Steckverbinder und Kabelklemmen.

Bild: Carbon

Cubicure Evolution FR

Unsere Aufzählung für flammhemmende Materialien enthält außerdem Cubicure Evolution FR – das erste Material seiner Art, das die UL94 V0-Klassifizierung erreicht hat und damit ideal für den Einsatz in Branchen wie Elektronik und Transport geeignet ist. Dieses Material bietet eine außergewöhnliche Präzision und Oberflächenqualität, die das Spritzgießen imitiert und gleichzeitig eine Hitzebeständigkeit von bis zu 80°C aufweist. Cubicure Evolution FR wurde mit der Heißlithographie-Technologie von Cubicure entwickelt und ermöglicht einen präzisen 3D-Druck mit einer Auflösung von 10 µm. Als erstes flammgeschütztes Photopolymer für SLA stellt es eine ideale Option für die Produktion von Ersatzteilen und Funktionsprototypen dar. Seine Klassifizierung nach UL94 V0 gewährleistet das selbsttätige Erlöschen von Flammen innerhalb von 10 Sekunden, eine Eigenschaft, die bisher nur von Materialien erreicht wurde, die in den Verfahren der Materialextrusion und des Pulverbettschmelzens verwendet wurden. Mit seiner halogenfreien Zusammensetzung, einer Zugfestigkeit von 34 MPa und der Fähigkeit, strenge Sicherheitsstandards zu erfüllen, bietet Cubicure Evolution FR eine ideale Option für den industriellen 3D-Druck, insbesondere für Anwendungen, bei denen Flammschutz entscheidend ist.

Bild: Cubicure

3955 HDT280 FST-Harz

Das von Loctite entwickelte flammgeschützte Harz 3955 HDT280 FST verfügt über sehr gute physikalische (Biege- und Zug-) und Oberflächeneigenschaften. Es ist ein hochleistungsfähiges, halogenfreies Material (UL94-V0), das sich ideal für die additive Fertigung von Steckverbindern, Clips, Steckern, elektronischen Gehäusen und Innenteilen für die anspruchsvollsten Branchen eignet. Es hat sogar erfolgreich vertikale Burn-in-Tests bestanden und ist somit mit den FST-Luftfahrtnormen kompatibel. Mit diesem Harz gedruckte Teile, die hauptsächlich mit industrieller DLP-Technologie gedruckt werden, verformen sich also in thermisch anspruchsvollen Umgebungen nicht. Dies ermöglicht seinen Einsatz in fortschrittlichen Sektoren wie der Luft- und Raumfahrt und dem Schienenverkehr.

Bild: filament2print

Pulver

PA 2210 FR

Das schwer entflammbare Polyamidpulver PA 2210 FR ist ein leistungsstarkes, UL Blue Card-zertifiziertes und CS/FAR 25.853-konformes Material, das sich für verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen Branchen eignet und damit ebenfalls zu den flammhemmenden Materialien gehört. Dieses halogenfreie und daher ungiftige Material weist fortschrittliche mechanische Eigenschaften auf, mit einer Zugfestigkeit von 46 MPa und einer Biegefestigkeit von 65 MPa. PA 2210 FR ermöglicht eine größere Designfreiheit für komplexe Teile, da das große Bauvolumen von 280 x 280 x 550 mm auch große Bauteile zulässt, während die Schichtdicke von 0,15 mm filigrane Details und präzise Merkmale ermöglicht. Darüber hinaus verfügt das Material über eine Wärmeformbeständigkeit von 84 °C und mehrere schwer entflammbare Eigenschaften, wodurch es sich hervorragend für Umgebungen eignet, in denen Feuerbeständigkeit von entscheidender Bedeutung ist, einschließlich Branchen wie Bauwesen, Transportwesen, Luft- und Raumfahrt und Elektronik.

Bild: Materialise

DuraForm® FR 100

DuraForm® FR 100 ist ein flammhemmender bzw. flammwidriger halogenfreier thermoplastischer Kunststoff von 3D Systems, ein US-amerikanisches Unternehmen, das sich auf die Herstellung von 3D-Druckern, -Materialien und -Scannern spezialisiert hat. DuraForm® FR 100 wurde so entwickelt, dass die Rauchentwicklung und damit die toxischen Nebenprodukte der Verbrennung gesenkt werden. Es erfüllt die derzeitigen Anforderungen an die Umweltsicherheit für eine Vielfalt an Verbraucheranwendungen und wird nach UL94 V-0 eingestuft. Außerdem verfügt das Material, das in Puder-Form auf dem Markt verfügbar ist, über eine hohe Schlagzähigkeit. Der Kunststoff wird im 3D-Druck, etwa im Selective Laser Sintering (SLS)-Verfahren, eingesetzt. DuraForm® FR 100 wurde insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, Automobilbranche sowie für Konsumgüter hergestellt, die Flammschutz und eine geringe Rauchtoxizität erfordern. Hierzu zählen etwa Flugzeugkabinen, elektrische Geräte, Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), Gehäuse und Verkleidungen. DuraForm® FR 100 eignet sich darüber hinaus zum einen für die Herstellung von Prototypen, die Funktionstests standhalten, und zum anderen für langlebige Endverbrauchsteile.

Bild: 3D Systems

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