Im Rahmen der Material-Qualifizierung analysierte AIM3D erstmals die Bauteileigenschaften auf einer Exam 510 mit Ultem 9085 Resin, um dessen Einsatz im Pellet-3D-Druck zu erschließen. Das CEM-Verfahren (Composite Extrusion Modeling) von AIM3D bietet durch den Einsatz von Standard-Granulat ein hohes Potenzial der Wirtschaftlichkeit und höhere Aufbaugeschwindigkeiten gegenüber dem Einsatz von Filament-3D-Druckern. Zielsetzung war die Ausnutzung der niedrigeren Materialeinstandspreise durch den Einsatz von Standard-Granulat gegenüber konventionellen Filament-Materialien. Der Preisvorteil liegt bei bis zu Faktor sieben. Im Fokus der Entwicklung lagen Hochleistungs-Anwendungen im Aerospace-Sektor.

Standard-Granulat direkt für den 3D-Druck erschließen

Bislang dominieren 3D-Drucker, die Ultem 9085 Resin als Filamente verarbeiten. Marktführer ist Stratasys, gefolgt von Intamsys, 3DGence, Materialise und anderen Anbietern, deren Systeme auf Basis von FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) arbeiten. Entscheidender Unterschied für die Wirtschaftlichkeit ist nun die Option, das Standard-Granulat Ultem 9085 Resin direkt für den 3D-Druck zu erschließen. Dies eröffnet massive Kostenreduzierungen. AIM3D bietet dazu seine Exam-510-Anlage an. Die zentralen Fragestellungen der Material-Qualifizierung von Ultem auf Granulatbasis waren der Vergleich von Reproduzierbarkeit des Prozesses sowie die sich ergebenden mechanischen Eigenschaften der 3D-Bauteile, etwa die Zugfestigkeiten.

Ultem 9085 Resin – ein überzeugender Werkstoff

Bauraum einer ExAM 510 mit zwei Extrudern © AIM3D

Ultem 9085 Resin von Sabic ist ein zertifizierter Werkstoff in der Luftfahrtindustrie mit besonderen Brandschutz-Qualitäten. Der Werkstoff der PEI-Familie (Polyetherimid) zählt zu den Hochtemperaturwerkstoffen mit hervorragenden physikalischen und mechanischen Eigenschaften für anspruchsvolle Anwendungen. Ultem gilt wegen seines Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses als idealer Thermoplast für Anwendungen mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht. Außerdem ist Ultem Resin schlagfest und chemikalientolerant. Überdies überzeugen die Eigenschaften in Bezug auf Entflammbarkeit, Rauch und Toxizität aus. Sabic liefert den Werkstoff in vielen verschiedenen Farben; er kann auf Kundenfarbwunsch nachgestellt werden, ist aber schon in vielen Farben von bekannten Flugzeugherstellern verfügbar.

Hohe Aufbaugeschwindigkeiten des CEM-Verfahrens von AIM3D

Die Kostenvorteile durch den Einsatz von Standard-Granulat gegenüber Filament sind augenfällig: Der Pellet-3D-Drucker Exam 510 von AIM3D verarbeitet Standard-Ultem-Granulat, während ein konventioneller FFF-3D-Drucker deutlich teureres Filament-Material einsetzt. Filamente erfordern einen höheren Ressourceneinsatz. Es ergeben sich auch Vorteile bei den Maschinenstundensätzen durch höhere maximale Aufbauraten: Filament-3D-Drucker arbeiten etwa mit bis zu 45 Kubikzentimeter pro Stunde, ein Pellet-3D-Drucker schafft bis zu 250 Kubikzentimeter pro Stunde.

Vergleich der mechanischen Eigenschaften

Im Rahmen der Material-Qualifizierung von Ultem 9085 Resin mit einem 3D-Druck-Pellet-System, etwa der Exam 510 von AIM3D, galt es, die Zugfestigkeiten zu analysieren. Vergleichsgrößen waren Filament-Bauteile einerseits und Bauteile hergestellt auf Granulatbasis in der klassischen Spritzgießtechnik mit formgebenden Werkzeugen andererseits. Gemessen wurden die Zugfestigkeiten auf der XY-Achse für die drei Verfahren. Den höchsten Wert erreichten spitzgegossene Bauteile mit 86 MPa, allerdings dicht gefolgt mit 85,7 MPa mit dem 3D-Pellet-Drucker Exam 510. Ein durchaus vergleichbarer Wert, meint der Hersteller, weil er sich deutlich vom Filament-3D-Druck mit 69,2 MPa absetzen konnte. Auch die Zugfestigkeiten auf der XZ-Achse ergaben mit 42 MPa für den 3D-Pellet-Drucker Vorteile gegenüber gemessenen 39 MPa für einen FFF-3D-Drucker. Das CEM-Verfahren kann somit derzeit die besten Zugfestigkeiten im 3D-Druck von Ultem 9085 Resin abbilden. Außerdem zeigte sich, dass auch die Bruchdehnung der aus Granulat gedruckten Proben bessere Ergebnisse lieferte. So konnten in der XY-Richtung 12,3 Prozent Bruchdehnung erreicht werden, während der Filament-3D-Druck nur 5,4 Prozent schafft.

Verbesserung der Reproduzierbarkeit

Zugversuchsaufbau © AIM3D

Entscheidend für den Aufbau eines 3D-Bauteils ist vor allem die Reproduzierbarkeit, also die Wiederholgenauigkeit des Prozesses. Für einen Anwender ist dies ein zentraler Punkt für gleichbleibende Qualität des Bauteils gerade in der Serienfertigung von kleinen und mittleren Serien. Bauteile der Spritzgießtechnik und 3D-Bauteile weisen vergleichbare Homogenitäten des Materials auf, weil Granulat-Ultem 9085 Resin eingesetzt wird. Die letzten Zugversuche nach DIN EN ISO 527-2 Typ 1A belegen aufgrund geringer Standartabweichungen eine hohe Prozessstabilität.

3D-Pellet-Druck erschließt neue Anwendungsgebiete

Dies erschließt deutlich gesteigerte Time-to-Market-Potenziale sowohl bei Prototypen als auch bei Serienbauteilen. Durch die Extruder und Technologie von AIM3D werden zudem bessere Oberflächenqualitäten bei gleicher Bauzeit erreicht. Der Grund dafür ist, dass durch die Verwendung von Granulaten auch bei niedrigeren Schichtstärken höhere Bauraten erzielt werden können. Zudem sollen in Zukunft auch Lösungen für feinere Düsen unter 0,4 Millimeter realisiert werden, sodass in Zukunft das Spektrum für Bauteile aus Ultem 9085 Resin erweitert wird.

Einsatzfelder: Aerospace, Automotive, Bahn

Neben den Vorteilen hinsichtlich Kosten und Zeit eröffnet das CEM-Verfahren auch generell neue Anwendungsgebiete für Ultem 9085 Resin. Es eignet sich neben klassischen Aerospace-Anwendungen auch in Automotive und für den Einsatz in der Bahntechnik. Also überall dort, wo höchste Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften gestellt werden und ein 3D-Bauteil unter Sicherheitsaspekten langlebige mechanische Eigenschaften sicherstellen muss. Durch den Einsatz eines Pellet-3D-Druckers werden nicht nur bestehenden Anwendungsfälle in Zukunft kostengünstiger; vielmehr werden künftig weitere Anwendungen von Ultem 9085 Resin möglicih sein, meint AIM3D. Vor allem im Aerospace-Bereich werde es neue Horizonte eröffnen.

Fakuma, Halle A7, Stand 7123