Mit seiner breiten Materialpalette für die Multi-Jet-Fusion-Technologie bietet HP dem Anwender beinahe unbegrenzte Designfreiheit. Die hochwertigen Kunststoffe für den 3D-Druck sind funktional, langlebig und recyclingfähig und werden sowohl bei HP als auch gemeinsam mit Partnerunternehmen entwickelt. additive – die Plattform für die additive Fertigung sprach mit Rabia Uenal-Doekmeci, Business Development DACH, HP Inc. und Christian Reinhardt, Business Development Manager bei BASF Forward AM, über den aktuellen Entwicklungsstand, Werkstoffeigenschaften, Auswahlkriterien und Einsatzmöglichkeiten.
Inhaltsverzeichnis
1. Kunststoffe für das Spritzgießen und für den 3D-Druck – Unterschiede
2. PP versus TPU – Eigenschaften und Einsatzszenarien
3. Vorteile der Multi-Jet-Fusion 3D-Drucker von HP und ihre Anwendungen
4.Ausblick auf künftige mögliche Kunststoff-Entwicklungen
additive: Welche Werkstoffe stehen für den MJF-3D-Druck zur Auswahl?
Rabia Uenal-Doekmeci: Wir wollen im Bereich der Werkstoffe breit aufgestellt sein damit unsere Kunden die Möglichkeit haben, den für ihre Anwendung optimalen Werkstoff zu nutzen. Konkret bieten wir im Bereich der Polyamide ein PA 11, ein PA 12 und ein mit Glasperlen verstärktes PA 12 GB an. Bei den thermoplastischen Polyurethanen können die Anwender zwischen einem TPU von BASF und einem TPU von Lubrizol wählen. Weiterhin bieten wir noch ein Polypropylen von BASF und ein thermoplastisches Polyamid von Evonik an.
additive: Welche Kunststoffe können generell für die Multi-Jet-Fusion-Technologie verwendet werden und was zeichnet das Verfahren aus?
Rabia Uenal-Doekmeci: Die Kunststoffe, die wir für die Multi-Jet-Fusion-Technologie einsetzen, zählen zum einen zu den thermoplastischen semikristallinen Polymeren und zum anderen zu den thermoplastischen Elastomeren. Das Multi-Jet-Fusion Verfahren ist ein pulverbasiertes Verfahren. Wir haben keine Stützstrukturen und können ca. 80 bis 90 Prozent des verwendeten Kunststoffpulvers in den Druckprozess zurückführen.
Kunststoffe für das Spritzgießen und für den 3D-Druck – Unterschiede
additive: Was unterscheidet ganz prinzipiell einen Kunststoff für das Spritzgießen von einem Kunststoff für den 3D-Druck?
Christian Reinhardt: Der grundlegende Werkstoff unterscheidet sich im 3D-Druck nicht von dem im Spritzguss. In beiden Fällen ist das Ausgangsmaterial ein Granulat eines thermoplastischen Werkstoffes. Dieses Granulat kann aber in der Regel nicht einfach so verdruckt werden, sondern wird für die Verarbeitung auf den jeweiligen 3D-Druck-Systemen modifiziert. Das gleiche Ausgangsmaterial bedeutet aber nicht, dass die gleichen mechanischen Eigenschaften zu erwarten sind. Dies liegt daran, dass die Verarbeitung im Spritzguss und im 3D-Druck eine grundlegend andere ist.
additive: Für welchen Anwendungsfall sind die Polyamid-Werkstoffe am besten geeignet?
Rabia Uenal-Doekmeci: Wenn der Anwender robuste, funktionelle und wasserdichte Bauteile benötigt, ist das PA12 eine gute Wahl. Das PA12 GB ist für Anwender interessant, die steife, formstabile Funktionsteile herstellen wollen. Das PA11 wiederum eignet sich für die Produktion von duktilen und funktionellen Teilen mit einer verbesserten Bruchdehnung und einer guten Schlagfestigkeit.
PP versus TPU – Eigenschaften und Einsatzszenarien
additive: Herr Reinhardt, mit dem HP 3D HR PP enabled by BASF und dem Ultrasint TPU01 für MultiJet Fusion hat BASF sowohl ein Polypropylen (PP) als auch ein thermoplastisches Polyurethan für den MJF-Druck entwickelt. Für welche Einsatzszenarien ist das PP geeignet? Für welche Bauteile nutzt man das TPU?
Christian Reinhardt: Polypropylen ist generell ein in allen Branchen extrem weit verbreiteter Kunststoff. PP zeichnet sich durch seine ausgewogenen Eigenschaften, seine geringe Dichte und seine chemische Beständigkeit aus. Das bedeutet, dass überall dort, wo ein Bauteil nicht sofort brechen darf, das Bauteil leicht, aber gleichzeitig dicht sein muss und/oder Chemikalien zum Einsatz kommen, man Polypropylen in Erwägung ziehen sollte.
TPU kommt da zum Einsatz, wo hohe Anforderungen an Flexibilität, geringe Materialermüdung und eine ausgezeichnete Schlagzähigkeit benötigt werden. Die Designfreiheit des 3D-Drucks ermöglicht es dann weiter, aus ein und demselben Werkstoff mit der Verwendung von Gitterstrukturen ganz neue Eigenschaften zu generieren. Bauteile, die in der klassischen Fertigung mit mehreren Komponenten realisiert werden müssten, können so ganz einfach aus einem Stück in einem Material gedruckt werden.
additive: Wie verhält sich das flexible TPU bei zyklischen Belastungen?
Christian Reinhardt: TPU hat generell bei zyklischer Belastung ein spannendes Verhalten. Wenn man TPU, aber auch andere flexible Materialien zyklisch belastet, tritt der Mullins-Effekt auf. Das bedeutet, dass sich das Material bei der ersten Belastung anders verhält als bei der zweiten und dritten und so weiter. Die Unterschiede zwischen den Belastungszyklen werden jedoch über die Zeit geringer. Diesen Effekt zu kennen, ist zum Beispiel bei der Auslegung von Protektoren extrem wichtig, da diese nicht nur bei dem ersten Aufschlag, sondern auch bei allen anderen gut funktionieren sollen. Allgemein hat unser Ultrasint TPU01 ein sehr gutes Verhalten bei zyklischer Belastung. Auch nach mehreren 100.000 Biegezyklen konnte an dem Material keine Ermüdung festgestellt werden, und es kam nicht zum Bruch.
3D-Druck ermöglicht personalisierte Produktion in Losgröße 1
Vorteile der Multi-Jet-Fusion 3D-Drucker von HP und ihre Anwendungen
additive: Was zeichnet Werkstücke aus dem MJF-Drucker von HP gegenüber Bauteilen aus anderen 3D-Druckern aus?
Rabia Uenal-Doekmeci: Mit der MJF-Technologie ist es möglich einbaufertige Bauteile mit einer sehr hohen Qualität und einer überragenden Isotropie in allen Achsen im industriellen Maßstab herzustellen. Zudem haben wir ein relativ großen Bauraum mit 41 Litern. Bauteile werden produziert, die keine große Nachbearbeitung mehr benötigen, wie beispielsweise das Entfernen von Stützstrukturen. Wir können sowohl Prototypen als auch Serienbauteile mit dem selben Drucker verdrucken.
additive: Ist es möglich, verschiedene Werkstoffe in einem Werkstück zu kombinieren?
Rabia Uenal-Doekmeci: Das ist möglich und wird von vielen unserer Kunden bereits umgesetzt, weil auf diese Weise unterschiedliche Materialeigenschaften in einem Werkstück kombiniert werden können. Allerdings lassen sich während des Druckens keine unterschiedlichen Materialien mischen, da in einem Bauraum immer nur ein Werkstoff zum Einsatz kommen kann. Die gedruckten Einzelteile werden erst nach dem eigentlichen 3D-Druck miteinander verbunden.
additive: Können mithilfe der MJF-Technologie auch Metalle substituiert werden?
Rabia Uenal-Doekmeci: Hier arbeiten wir mit verschiedenen Designmöglichkeiten, um von den Materialeigenschaften her mit Metallwerkstoffen vergleichbar zu sein. Der Kunde muss hierfür das Bauteil entsprechen umgestalten, zum Beispiel mit Gitter- oder Wabenstrukturen. Besonders durch optimiertes 3D Design sind konkurrenzfähige Bauteile gegenüber mit Gewichtseinsparungen gegenüber traditionellen Metallen möglich
Wir von HP stellen nicht nur den Werkstoff und die Technologie zur Verfügung, sondern unterstützen über unser Digital-Manufacturing-Network (DMN) auch mit konkreten Beispielen und Erfahrungen aus der Praxis.
additive: In welchen Branchen kommen die HP-3D-Drucker schon zum Einsatz?
Rabia Uenal-Doekmeci: HP ist heute im Bereich 3D-Druck sehr breit aufgestellt. Wir bedienen die Segmente Industrie, Health-Care, Automotive und Konsumgüter. Unsere Technologie ist in den verschiedenen Bereichen sehr gefragt.
Ausblick auf künftige mögliche Kunststoff-Entwicklungen
additive: Welche Materialien wird es in Zukunft für das MJF von BASF geben?
Christian Reinhardt: Wir arbeiten gemeinsam mit HP daran, das bestehende Portfolio an TPU- und PP-Werkstoffen weiter auszubauen und damit noch mehr Kundenanforderungen zu erfüllen. Unter der Marke Elastollan bietet BASF beispielsweise unzählige TPUs für die verschiedensten Einsatzzwecke an. Dieses Know-how machen wir uns zunutze und erweitern peu à peu unser Angebot für den 3D-Druck.
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