PESU: Materialeigenschaften in der additiven Fertigung
Das zur Sulfonfamilie gehörende Polyethersulfon, kurz PESU, ist ein Hochleistungskunststoff, der über ein einzigartiges Profil in der Familie der Thermoplaste aufweist. Es ist ein sehr hitzebeständiges, amorphes Polymer, das zwar für viele Branchen interessante Eigenschaften aufweist, in der Welt der additiven Fertigung aber noch wenig bekannt ist. PESU kann in Form von Filamenten, Pulvern und Spritzgussgranulaten erworben werden. Granulat in Spritzgussqualität weist in der Regel eine höhere Materialreinheit auf und ermöglicht so den Druck von Funktionsteilen in der Rohform von PESU.
Damit sind die gleichen Standards und Zertifizierungen wie beim Spritzgussmaterial erreichbar, so dass auch hier ein Hochleistungsmaterial angeboten werden kann, das sich ideal für Hersteller eignet. Ein bemerkenswerter Akteur in diesem Bereich ist das französische Unternehmen Pollen AM, ein Pionier bei der Verwendung von PESU-Granulat für die additive Fertigung. Ihre umfangreichen Forschungsarbeiten haben wertvolle Erkenntnisse über die Eigenschaften des Materials geliefert. Doch was genau sind diese Eigenschaften und was macht PESU zu einem so attraktiven Material für die AM-Industrie?
Chemische Struktur des Kunststoffs (PESU).
Herstellung und Merkmale von PESU
Polyethersulfon ist besonders für seine thermischen Eigenschaften bekannt: Es hält sehr hohen Temperaturen stand (bis zu 220°C), sogar in einer flüssigen und dampfförmigen Umgebung bis zu 170°C. Es weist feuer- und rauchbeständige Eigenschaften auf, die es zu einem bevorzugten Material für die Luft- und Raumfahrt, den Schienenverkehr und die Automobilindustrie machen. Das Material beginnt sich bei Temperaturen über 400 °C zu zersetzen, wobei die Verbrennung zwischen 475 und 575 °C einsetzt. Zusätzlich zu diesem einzigartigen thermischen Profil ist PESU lebensmittelsicher, kann sehr hohen Belastungen standhalten und weist gute elektrische Isolations- und dielektrische Eigenschaften auf.
PESU wird in der Regel durch ein Stufenpolymerisationsverfahren hergestellt, bei dem Monomere, die funktionelle Ether- und Sulfongruppen enthalten, miteinander reagieren und lange Polymerketten bilden. Die wichtigsten Monomere für die PESU-Synthese sind 4,4′-Dihydroxybiphenylsulfon (BPS) und 4,4′-Difluordiphenylsulfon (DFDPS), die in Gegenwart eines Katalysators und eines Lösungsmittels umgesetzt werden. Der Polymerisationsprozess führt zu einem Polymer mit hohem Molekulargewicht und linearer Struktur.
Polyethersulfon (PESU) ist ein bemerkenswertes Material mit einer Reihe von außergewöhnlichen Eigenschaften. Wie bereits erwähnt, weist es eine hohe thermische Stabilität auf, die es ideal für Hochtemperaturanwendungen macht. PESU zeichnet sich auch durch eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit aus, die es gegen verschiedene Säuren, Basen und organische Lösungsmittel unempfindlich macht, selbst bei starker chemischer Belastung. Aufgrund seiner hohen mechanischen Festigkeit und Steifigkeit eignet es sich für Anwendungen, die strukturelle Integrität und Tragfähigkeit erfordern. Darüber hinaus behält PESU seine Dimensionsstabilität auch unter extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen und wechselnden Umgebungen bei.
Es weist gute elektrische Isolationseigenschaften auf, was es zu einer zuverlässigen Wahl für elektrische und elektronische Komponenten macht. Da PESU von Natur aus schwer entflammbar ist, erfüllt es die verschiedenen Brandschutznormen, ohne dass zusätzliche flammhemmende Zusätze erforderlich sind. Aufgrund seiner hervorragenden optischen Klarheit kann es in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Transparenz erforderlich ist. Bis zu einem gewissen Grad ist PESU biokompatibel und wurde bereits in bestimmten gesundheitlichen und medizinischen Anwendungen eingesetzt. Insgesamt machen die außergewöhnlichen Eigenschaften von PESU es in verschiedenen Branchen wertvoll.
Dank seiner hohen mechanischen Festigkeit und Steifigkeit eignet sich PESU für Anwendungen, die strukturelle Integrität und Tragfähigkeit erfordern (Bild: Gerdau Graphene)
3D-Druck mit PESU
PESU ist ein amorphes Material und hat daher eine ungeordnete Molekularstruktur. Im Gegensatz zu einem teilkristallinen Material ist es vergleichsweise leicht zu formen, da es bei der Temperatur weniger Kontraktions- und Ausdehnungseffekte erfährt. Sein Schmelzpunkt liegt zwischen 340 und 390°C. Diese beiden Eigenschaften machen es zu einem idealen Material für die additive Fertigung.
PESU ermöglicht den Herstellern den 3D-Druck komplexer Teile, und die Tatsache, dass es hitze-, feuer- und rauchbeständig ist, ist besonders in bestimmten Branchen von Vorteil. Im Vergleich zu PEI (dessen bekannteste Marke ULTEM ist), das heute in Form von Filamenten erhältlich ist, hat PESU nicht nur bessere Eigenschaften, sondern ist auch preiswerter. Darüber hinaus hat Polyethersulfon eine deutlich geringere Feuchtigkeitsaufnahme und ist daher eine durchaus erwägenswerte Alternative. Allerdings kann es schwierig sein, das Material speziell an den FDM-Druck anzupassen und obwohl es derzeit von einigen Materialherstellern angeboten wird, sollte beachtet werden, dass es bei der Umwandlung in ein Filament oft die Eigenschaften verliert, die es überhaupt erst attraktiv machen.
Der Haushaltsgerätehersteller De’Longhi verwendet Polyethersulfon (PESU) von BASF für den oberen Kolben der Brüheinheit einer Kaffeemaschine (Bildnachweis: BASF)
Anwendungen von Polyethersulfon
Dank seiner außergewöhnlichen thermischen Eigenschaften findet 3D-gedrucktes PESU in einer Vielzahl von Branchen Anwendung. Es ist besonders im Transportsektor beliebt, wie der Luft- und Raumfahrt und im Schienenverkehr, aber auch in der Automobilindustrie, in der Elektronik, in der Medizin und in der Konsumgüterindustrie. Es wird häufig für die Herstellung von Flugzeugkomponenten, Automobilteilen, elektrischen Anschlüssen, Filtermembranen und medizinischen Geräten verwendet. Seine Vielseitigkeit, Festigkeit und Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Chemikalien machen PESU zu einem wertvollen Werkstoff für anspruchsvolle technische Anwendungen. Da es gegen Flüssigkeiten, Fette und Benzin beständig ist, eignet es sich auch für die Herstellung von Sonden zur Ölstandskontrolle. PESU wird außerdem auch für die Herstellung von persönlicher Schutzausrüstung verwendet.
Schließlich wird PESU häufig als Ersatz für die Familie der Polyamide und insbesondere für Polycarbonat verwendet. Es bietet eine gute Transparenz, ist lebensmittelsicher und sterilisierbar. Zu beachten ist jedoch, dass PESU nicht flexibel ist. Obwohl es derzeit kein weit verbreitetes Material für den 3D-Druck ist, gibt es mehrere Unternehmen, die PESU anbieten. Aufgrund seiner beeindruckenden Eigenschaften ist es wahrscheinlich, dass es in naher Zukunft verstärkt eingesetzt wird, da vor allem die Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobilindustrie beginnen, den 3D-Druck für die Herstellung von Endverbrauchsteilen zu nutzen.
Verstärktes PESU-Harz wird zu einer beliebten Option für Automobilkomponenten und ersetzt allmählich herkömmliche Metall- und Duroplastmaterialien. (Bild: SpecialChem 2023)
Hersteller und Preise
Mehrere Hersteller produzieren PESU und bieten unterschiedliche Qualitäten und Formulierungen an, die auf verschiedene industrielle Anwendungen zugeschnitten sind. Zu den bekannten Herstellern von PESU gehören Pollen AM, Solvay, BASF, Victrex, Ensinger und SABIC. Diese Unternehmen sind für die Herstellung hochwertiger technischer Thermoplaste bekannt und bieten auch PESU in ihrem Produktportfolio an. Was die Preisgestaltung angeht, so können die Kosten für PESU je nach Sorte, Abnahmemenge und Lieferant variieren. Im Allgemeinen wird PESU aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften und Leistungsmerkmale als ein teurerer technischer Thermoplast angesehen. Die Preise können je nach Sorte und Lieferant zwischen etwa 35 und 100 € oder mehr pro Kilogramm liegen.
Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass sich die Preise im Laufe der Zeit aufgrund von Schwankungen bei den Rohstoffkosten, der Marktnachfrage und anderen Faktoren ändern können. Um die aktuellsten und genauesten Preisinformationen zu erhalten, empfiehlt es sich, direkt mit dem jeweiligen Hersteller oder Vertragshändler Kontakt aufzunehmen. Außerdem ist es ratsam, die Preise mehrerer Quellen zu vergleichen, um das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für die beabsichtigte Anwendung sicherzustellen.
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*Titelbildnachweis: Medical Plastics News
