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Mittwoch, 20. Februar 2019

Material

Kunststoff geht auch

Von Stefan Asche | 13. September 2018 | Ausgabe 37

Neue, thermoplastische Hochleistungswerkstoffe können Metalle in verschiedenen Einsatzgebieten ablösen. Drei Beispiele.

BU Schädel
Foto: Kumovis

Schädelplatten lassen sich nicht nur aus Metall, sondern auch aus dem Hochleistungskunststoff PEEK fertigen – zum Wohle des Patienten.

Johnny Doodle hat einen außergewöhnlichen Geschmack. Schon durch sein Äußeres fällt der süße Rotterdamer auf: Stets hüllt er sich              in steifes Papier. Darauf prangen witzige Sprüche und kleine Provokationen. Seine Fans nennen ihn nur „JayDe“. Ist er Künstler? Oder Punk? Weder noch! Johnny Doodle ist eine Schokolade. Hergestellt wird die knusprige Kalorienbombe von Jungunternehmern.

Ihre Produktionstechnologie hat noch nicht überall High-End-Niveau. So macht eine ihrer Verpackungsmaschinen regelmäßig Probleme: Wenn fertige Tafeln nicht zu 100 % korrekt eingelegt sind, reagiert sie umgehend mit Verstopfung. Das mündet in verbogenen Förderhaken – und Stillstand. Dann müssen die lädierten Metallteile entweder händisch zurechtgedengelt oder gar neu angefertigt werden.

„Das muss man doch optimieren können“, dachte sich Carl van de Rijzen, Gründer des 3-D-Druck-Dienstleisters Visual First. Auf der Suche nach besonders steifen Kunststoffen kam er mit Stratasys in Kontakt. Der Branchenriese stellt neben Produktionssystemen auch Druckmaterialien her.

Ein relativ neues Material ist Nylon 12CF. Das ist ein Thermoplast, dem Kohlefaserabschnitte beigemengt sind. Der Anteil der Fasern beträgt ca. 35 Gewichtsprozent, ihre Länge liegt zwischen 100 µm und 200 µm. Daraus resultiert laut Stratasys die höchste Biegesteifigkeit von allen Thermoplasten, die im Schmelzschichtverfahren verarbeitet werden können.

Die spezifische Steifigkeit von Nylon 12CF beträgt 6,5 x 106 Nm/kg. Damit können sehr stabile Produkte mit relativ geringem Gewicht gedruckt werden. Die Wärmeformbeständigkeit liegt bei 143 °C. Kleiner Haken: Bei der Konstruktion ist darauf zu achten, dass jene Bereiche, die später maximale Lasten aushalten müssen, parallel zur Bauplattform angeordnet sind. Hintergrund: Durch den schichtweisen Aufbau ist die Z-Achse am ehesten verwundbar.

Mit den Kunststoffhaken sind die Macher von Johnny Doodle zufrieden. Die Metallvorläufer sind inzwischen ausgetauscht. Das hat die Ausfallzeiten reduziert und die Produktivität erhöht.

„Wir beobachten eine wachsende Nachfrage nach additiv gefertigten Ersatzteilen für Industrieanlagen“, sagt Nadav Sella, Leiter der Stratasys-Geschäftseinheit Emerging Solutions. „Das trifft insbesondere auf Verpackungsmaschinen zu. Sie brauchen aufgrund der vielen Einsatzszenarien oft individuelle Anpassungen. Werden die Teile gedruckt, können wir Gewicht sparen und zusätzliche Funktionalitäten einbauen.“

Auch Druckergigant Eos aus Bayern hat eine Lösung, mit der Kunststoffteile hergestellt werden können, die einen Vergleich mit Metallkomponenten nicht scheuen. Dabei handelt es sich das System P 810, das speziell für die Verarbeitung des neuen Hochleistungswerkstoffes HT-23 der US-Eos-Tochter ALM konzipiert wurde.

Der Drucker bietet ein Bauvolumen von 70 cm x 38 cm x 38 cm. Im Inneren arbeiten zwei CO2-Laser à 70 W. Sie versintern das Pulver standardmäßig in 120 µm feinen Schichten. Das Material ist ein Polyetherketonketon (PEKK), dem Kohlefasern (23 Gewichtsprozent) beigemengt sind. Die einzelnen Fasern sind zwischen 45 µm und 115 µm lang. Nach dem Sintern entstehen laut ALM Produkte mit „annähernd isotropischen“ Eigenschaften – also mit einer hohen Festigkeit auch in der Z-Achse. Die Zugfestigkeit bei Belastung in der anfälligsten Richtung liege bei 61 MPa. Das Nylon 12CF zieht bei einem Vergleich schon alleine verfahrensbedingt den Kürzeren (34,4 MPa). Eine weitere Besonderheit des HT-23 ist die hohe Schmelztemperatur. Sie liegt mit 302 °C weit über der des Nylons.

„OEMs in der Luft- und Raumfahrt können mit der Lösung Verbundbauteile ersetzen, die bisher mittels Laminierung von Kohlefasergewebe manuell produziert wurden“, sagt Scott Killian, Aerospace Business Development Manager bei Eos Nordamerika. „Auch Aluminiumkomponenten lassen sich durch HT-23 ersetzen, ohne dass dies zulasten der Bauteileigenschaften geht.“

Auch in der Medizintechnik kann Kunststoff Metall ersetzen. Getrieben wird diese Entwicklung u. a. vom Start-up Kumovis. Die Münchner haben einen Schmelzschichtdrucker gebaut, der den Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon (PEEK) gemäß medizinischer Standards verarbeiten kann. „Ein Filtersystem sorgt beispielsweise dafür, dass unser Bauraum die Anforderungen eines Reinraums erfüllt“, erläutert Geschäftsführerin Miriam Haerst. „Außerdem sorgt ein temperierter Luftstrom dafür, dass das gesamte Bauteil während des Bauprozesses konstant auf Temperatur gehalten wird – was der Druckqualität zugute kommt.“

Genutzt werden kann der Kumovis-Drucker u. a., um Schädelimplantate herzustellen. „PEEK bietet hier einige Vorteil im Vergleich zu Titan“, erklärt Haerst. „Der Kunststoff hat eine knochenähnliche Mechanik. Außerdem schränkt er die Möglichkeiten der diagnostischen Bildgebung nicht ein“, so die promovierte Maschinenbau-Ingenieurin. „Für den Patienten ist überdies die geringe Wärmeleitfähigkeit des Thermoplasts interessant. Das Material erzeugt – anders als Metall – kein Kälteempfinden im Körper.“

Noch stellen die Kumovis-Drucker keine hochbelasteten Teile wie Hüftgelenke her. In Zukunft ist aber auch das denkbar. „Wir überlegen, faserverstärkte PEEK-Filamente für unsere Drucker nutzbar zu machen“, so Haerst.