Aus der Reihe Anwendungsbeispiele

PLA, PETG oder ABS sind aus dem 3D-Druck längst nicht mehr wegzudenken. Für viele Anwendungen sind diese Werkstoffe völlig ausreichend. Doch sobald ein Bauteil dauerhaft hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen oder aggressiven Umgebungen ausgesetzt ist, reichen klassische Filamente schnell nicht mehr aus.

Dann kommen technische Hochleistungswerkstoffe wie PPA-GF, PPA-CF oder PEEK ins Spiel.
Diese Materialien ermöglichen Anwendungen, bei denen 3D-Druck nicht mehr nur für Prototypen interessant ist, sondern auch für funktionale Endbauteile im industriellen Einsatz.

Steuerkurvenplatte aus dem 3D-Drucker

PPA-GF und PPA-CF – wenn es stabil und temperaturbeständig werden muss

PPA steht für Polyphthalamid und gehört zur Familie der Hochleistungspolyamide. Durch die Verstärkung mit Glas- oder Kohlefasern lassen sich die Eigenschaften des Grundmaterials gezielt verändern.

PPA-GF ist mit Glasfasern verstärkt. Das Material bietet eine hohe Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit und eignet sich beispielsweise für Bauteile, die mechanisch belastet werden und gleichzeitig erhöhte Temperaturen aushalten müssen.

PPA-CF wird dagegen mit Kohlefasern verstärkt. Dadurch lassen sich besonders steife und leichte Bauteile realisieren. Die Kohlefaserverstärkung kann außerdem dazu beitragen, die Formstabilität unter Belastung zu verbessern. Je nach Materialsystem können CF-verstärkte PPA-Werkstoffe höhere Festigkeiten und Steifigkeiten als GF-Varianten erreichen.

Typische Einsatzbereiche sind beispielsweise:

Halterungen und Vorrichtungen im Maschinenbau
Bauteile im Automotive-Bereich
Gehäuse und Funktionsteile
Komponenten im Motorraum
Montage- und Prüfmittel
hochbelastete Prototypen
Ersatzteile für anspruchsvolle Umgebungen

Die Fasern verändern die mechanischen Eigenschaften, machen das Material aber auch anisotroper. Die Orientierung der Fasern und die Druckrichtung spielen deshalb eine wichtige Rolle bei der Auslegung des Bauteils.

Motorbauteil aus dem 3D-Drucker — Motorbauteil für einen luftgekühlen VW-Motor

PEEK – die nächste Stufe

Wenn PPA nicht mehr ausreicht, kommt ein Werkstoff ins Spiel, der im industriellen Umfeld seit Jahren für besonders anspruchsvolle Anwendungen eingesetzt wird: PEEK (Polyetheretherketon).

PEEK verbindet eine hohe mechanische Leistungsfähigkeit mit sehr guter Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit. Dadurch eignet sich der Werkstoff unter anderem für Anwendungen in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und im Maschinenbau.

Auch für den 3D-Druck ist PEEK interessant, beispielsweise wenn ein Bauteil dauerhaft höheren Temperaturen ausgesetzt ist oder besonders hohe Anforderungen an mechanische und thermische Eigenschaften gestellt werden.

Warum High-Performance-Kunststoffen anspruchsvoller zu drucken sind

Bei technischen Materialien entscheidet nicht nur das Filament über die Qualität des Bauteils. Der gesamte Druckprozess muss zum Werkstoff passen.

Gerade bei PEEK sind sehr hohe Verarbeitungstemperaturen erforderlich. Gleichzeitig muss die Temperatur des Bauraums kontrolliert werden. Unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten innerhalb des Bauteils können zu Spannungen, Verzug und einer schlechteren Verbindung zwischen den einzelnen Schichten führen.

Auch bei faserverstärkten Werkstoffen sind die Druckparameter entscheidend. Düsentemperatur, Druckgeschwindigkeit, Schichthöhe und Temperaturführung beeinflussen unter anderem die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten und damit die späteren mechanischen Eigenschaften.

Bei PEEK kommt zusätzlich die Kristallinität des Materials ins Spiel. Die thermische Vorgeschichte während des Drucks und eine mögliche Wärmebehandlung können die Mikrostruktur und damit die mechanischen und thermischen Eigenschaften beeinflussen.

Entscheidend ist das Zusammenspiel aus Material, Maschine, Druckparametern, Bauteilgeometrie, Orientierung und gegebenenfalls Nachbehandlung.

high-performance-kunststoff Bauteil entsteht im 3D-Druck — Air-Box entsteht im FDM-Verfahren

Was lässt sich damit realisieren?

Die Möglichkeiten gehen deutlich über klassische Prototypen hinaus.

Durch die Kombination aus Hochleistungswerkstoffen und additiver Fertigung können beispielsweise komplexe Funktionsbauteile hergestellt werden, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nur mit erheblichem Aufwand produzierbar wären.

Auch der klassische Metallersatz kann interessant werden: Wo früher beispielsweise ein gefrästes Aluminiumbauteil eingesetzt wurde, kann unter geeigneten Bedingungen ein deutlich leichteres Kunststoffbauteil eine Alternative darstellen. Gerade die konstruktive Freiheit des 3D-Drucks ermöglicht dabei, Bauteile gezielt auf den Werkstoff abzustimmen.

Dabei sollte jedoch nicht einfach das „stärkste“ verfügbare Material ausgewählt werden. Ein teurer Hochleistungswerkstoff ist nicht automatisch die beste Lösung. Entscheidend ist, welche Anforderungen das Bauteil tatsächlich erfüllen muss.

Materialberatung ist Teil der Konstruktion

Genau deshalb beginnt ein gutes 3D-Druck-Projekt für uns nicht mit der Frage:

„Welches Material sollen wir drucken?“

Sondern:

„Was muss das Bauteil können?“

Temperatur, Belastung, Chemikalienkontakt, UV-Einwirkung, Gewicht, elektrische Eigenschaften, Maßhaltigkeit und Einsatzdauer können bei der Materialauswahl entscheidend sein.

Aus diesen Anforderungen ergibt sich anschließend die passende Kombination aus Material und Fertigungsstrategie.

Mitarbeiter nimmt 3D-gedrucktes Teil aus dem Drucker. Auftragsfertigung Ruhrgebiet 3D-Druck

Von der Idee bis zum fertigen Bauteil

Wir begleiten Projekte nicht nur bei der reinen Fertigung, sondern von der ersten Idee bis zum fertigen Bauteil. Gemeinsam besprechen wir die Anforderungen, beraten bei der Materialauswahl und unterstützen bei Bedarf mit 3D-Scan und CAD-Konstruktion.

Anschließend fertigen wir Prototypen oder direkt das finale Bauteil – auch in anspruchsvollen Hochleistungswerkstoffen und im Großformat.

Sie haben eine Anwendung, bei der klassische Kunststoffe an ihre Grenzen kommen? Sprechen Sie uns an. Gemeinsam finden wir heraus, welcher Werkstoff und welches Fertigungsverfahren für Ihr Bauteil sinnvoll sind.