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Additive Fertigung 3D-Druck mit Hochleistungspolymeren ersetzt Metallteile

| Redakteur: Dorothee Quitter

Der 3D-Druck in Kombination mit Hochleistungspolymeren wie PEEK, lässt sich als sinnvolle Alternative zur Fertigung von Metallteilen in der Automobilbranche verwenden.

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Additiv gefertigte Dichtungsringe aus PEEK
Additiv gefertigte Dichtungsringe aus PEEK
(Bild: Indmatec)

Im Automobilsektor werden Materialien benötigt, die nicht nur hoch belastbar sind, sondern noch weitere Eigenschaften mitbringen müssen wie chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit oder Verschleißbeständigkeit. Dadurch wird gewährleistet, dass Teile deutlich langlebiger sind und weniger häufig ausgetauscht werden müssen. Bislang waren Metalle die Materialien der Wahl, da sie alle wichtigen Eigenschaften vereinen. Ein großer Nachteil hierbei ist jedoch das Gewicht. Mit einem geringeren Gewicht lässt sich Treibstoff sparen und somit die CO2-Emission senken.

PEEK als Metallersatz

Möglich macht dies das Hochleistungspolymer PEEK (Polyetheretherketon). Dank seiner teilkristallinen Struktur kann es bestens bei Temperaturen über seiner Glasübergangstemperatur von 143 °C eingesetzt werden und ist somit optimal für die Automobilindustrie geeignet, bei der die Teile in den Antriebssträngen und Motoren meist bei 150 °C oder mehr funktionieren müssen. Auch bei höheren Temperaturen lässt sich PEEK dank seiner Schmelztemperatur von 343 °C und einer Gebrauchstemperatur bis zu 260 °C verwenden.

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Neben seiner mechanischen Belastbarkeit ist das Polymer auch chemisch inert. Das ist vor allem für Teile im Antriebsstrang ein wichtiger Punkt, da sie dadurch keinen Schaden durch die verschiedenen Flüssigkeiten, wie Öle oder Kraftstoffe, nehmen. Konkrete Anwendungen sind Verschleißteile, die vorher aus Metall gefertigt wurden. Mit PEEK anstelle von Metall lässt sich bis zu 70 % des Gewichts reduzieren, was insgesamt zur Einsparung von 1bis 2 % Treibstoff führt. Zudem liegt der Verschleiß der Teile 25 bis 75 % unter dem Wert der Metalle; die Teile sind auch beständiger gegenüber zu wenig Schmiermitteln. Ein weiteres Plus gegenüber Metallen ist die Geräuschreduzierung.

PEEK-Teile aus dem 3D-Drucker

Die effektivste Möglichkeit PEEK zu verarbeiten, ist der 3D-Druck. Hiermit lassen sich Teile herstellen, welche aufgrund ihrer komplexen Geometrie mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich wären. Viel wichtiger ist jedoch das Potenzial, Material einzusparen. Bei der FFF-(Fused Filament Fabrication-) Technologie wird ein Kunststoffstrang, das Filament, durch eine Düse geschmolzen und schichtweise aufgetragen. Dadurch wird ausschließlich das Material verwendet, welches im Bauteil landet. Im Vergleich zum CNC-Fräsen, bei dem je nach Anwendung bis zu 90 % des Materials als Späne enden, erbringt der 3D-Druck eine deutliche Ersparnis der Materialkosten.

Die Firma Indmatec bietet PEEK in Filamentform kommerziell an und hat mit dem Indmatec HPP 155 einen speziell auf industriell genutzte Hochleistungspolymere zugeschnittenen Fused Filament Fabrication 3D-Drucker entwickelt.

Auch wenn das FFF-Verfahren nicht zur Massenproduktion eingesetzt werden kann, ist es jedoch für die Forschung und Entwicklung ein Verfahren, welches ohne großen Aufwand Prototypen liefert. Ebenso lassen sich hiermit spezielle, individuelle Teile fertigen, auch Kleinserien sind denkbar, wie beispielsweise Zahnräder und Dichtungsringe.

Der Vorteil von Zahnrädern aus PEEK liegt vor allem in der Verschleißbeständigkeit gegenüber den Kräften, die zwischen den Zahnrädern wirken. Dichtungsringe aus PEEK haben den Vorteil, resistent gegenüber den Flüssigkeiten in Automobilen zu sein, wodurch sie langlebiger sind. Neben der Möglichkeit, komplexe Geometrien herzustellen, lassen sich mit einem 3D-Drucker auch Bauteile in Leichtbauweise fertigen. Dank der Wabenstruktur besteht etwa die gleiche Festigkeit gegenüber einem vollgedruckten Teil, jedoch mit deutlicher Material- und Gewichtsersparnis. Mit dem Spritzgussverfahren sind solche Konstruktionen nicht möglich.

Festigkeiten ähnlich wie Spritzguss

Ein ausschlaggebendes Kriterium bei der Herstellung von funktionellen Teilen mit dem additiven Verfahren ist die Frage, ob das Teil an die Festigkeiten von konventionell hergestellten Produkten heranreicht.

Im Zugtestvergleich von PEEK, hergestellt mit Selektivem Lasersintern (SLS), Indmatecs Fused Filament Fabrication Technologie (FFF) und Pulverspritzguss (PIM) wird deutlich, dass das FFF-Verfahren, was Festigkeit anbelangt, im Bereich des Spritzgusses liegt. Die Tests wurden in X/Y-Richtung durchgeführt, in Z-Richtung ist die Festigkeit, aufgrund des Schichtverfahrens, ca. 30 % niedriger. (qui)

Formnext 2016: Halle 3.1, Stand B40C

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