Spritzgussformen aus PEEK für Silikonteile

Die FDM-Technologie (Fused Deposition Modeling) kann mit einer Vielzahl unterschiedlicher Thermoplasten eingesetzt werden. Die Fabru GmbH demonstriert den Einsatz von FDM bei der Herstellung von Spritzgiesswerkzeugen aus PEEK und wurde dafür in den Swiss AM Guide 18 aufgenommen.

3D-Drucker auf Basis von Fused Deposition Modeling (FDM) werden häufig von Hobbyisten, Herstellern und Laboren für die schnelle und kostengünstige Herstellung von Prototypen eingesetzt. Das Druckmaterial in Form von Filamenten wird in einer Düse erhitzt und Schicht für Schicht zu einem Teil aufgetragen. Häufig verwendete Materialien sind PLA und ABS. Diese Werkstoffe stellen jedoch nur einen kleinen Teil der verfügbaren thermoplastischen Werkstoffe im Bereich der modernen Kunststoffverarbeitung dar.

 

Thermoplastisches Material

Es gibt eine Vielzahl von Thermoplasten mit unterschiedlichen Eigenschaften, die für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden können. Der gezielte Einsatz solcher Materialien führt zu professionellen Anwendungen für FDM. In diesem Zusammenhang entwickelt die Firma Fabru GmbH Drucker und Filamente für FDM. Ziel ist es, eine breite Palette von thermoplastischen Materialien verarbeiten zu können, ohne dass Änderungen an einem 3D-Drucker, einschließlich seines Druckkopfes, vorgenommen werden müssen. Ein Anwendungsbeispiel der Fabru GmbH zeigt den Einsatz von FDM bei der Verarbeitung von PEEK (Polyetheretherketon). In diesem Fall werden Formen aus PEEK für das Spritzgießen von Silikonteilen hergestellt, um einen Dichtring zu fertigen. 

 

Vorteile von PEEK im FDM-Verfahren

Es gibt mehrere Gründe für die Herstellung der Formen aus PEEK im FDM-Verfahren. Um das Silikonteil zu vernetzen, müssen die Spritzgießwerkzeuge auf eine Temperatur von bis zu 200 °C erhitzt werden. In diesem Temperaturbereich versagen fast alle Thermoplaste aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit. Zudem sind die Werkzeuge beim Spritzgießen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Daher werden Prototypenwerkzeuge häufig aus metallischen Werkstoffen hergestellt. Dies führt jedoch zu langen Lieferzeiten und hohen Fertigungskosten. Der Einsatz von PEEK in einem FDM-Verfahren vermeidet diese Nachteile. Das Material hat eine hohe mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit. Mit dem FDM-Verfahren lassen sich Formen vergleichsweise schnell und kostengünstig mit ausreichend guter Oberflächengüte herstellen. Dieser Ansatz ist daher besonders vorteilhaft für den Prototypenbau und die Kleinserienfertigung.

 

Plastjet 3C-855 Drucker

Der Drucker Plastjet 3C-855 der Fabru GmbH wird zur Verarbeitung von PEEK eingesetzt. Die Herausforderung liegt vor allem in den hohen Verarbeitungstemperaturen beim Bedrucken von PEEK-Filamenten. Das Heizbett wird auf 210 °C erhitzt und die Düse auf 420 °C eingestellt, um die Wendel in einen thermoplastischen Zustand zu bringen. Durch die Beheizung des Bauraumes, der eine Abmessung von 800 x 500 x 500 mm hat, werden Schrumpfungseffekte des Kunststoffes minimiert. In diesem Fall darf die Temperatur der Wendel nicht zu niedrig sein, da sonst die Schichthaftung unzureichend ist und sich die einzelnen Schichten voneinander trennen. Das Filament darf aber auch nicht zu stark erhitzt werden, da das Material dann nicht ausreichend definiert aufgetragen wird.

Um die Temperatur im Druckkopf zu regeln und eine thermische Trennung zu erreichen, wird ein interner Wasserkühler mit geschlossenem Kühlwasserkreislauf eingesetzt. Da die Haftung zwischen Gebäudegrundplatte und PEEK-Filament relativ hoch ist, stellt die Entfernung von der Grundplatte eine weitere Herausforderung in der Fertigung dar. Vorteile der Verarbeitung von PEEK sind, dass das Material eine gute Schichthaftung besitzt und relativ geringe Verzugswerte aufweist.

 

Produktionsprozess der PEEK-Formen für einen Dichtring

Die Herstellung der PEEK-Formen für einen Dichtring dauert einige Stunden. Die geforderten Toleranzen liegen im Bereich von +/- 0,05 mm. Eine weitere Nachbearbeitung der Oberfläche ist möglich, jedoch optional. Um Material zu sparen, verwenden die Werkzeuge integrierte Wabenstrukturen. Obwohl die Waben umschlossen sind, kann eine solche Geometrie mit dem FDM-Verfahren realisiert werden, da keine Öffnungen im Vergleich zu pulver- oder flüssigkeitsbasierten Additivherstellungsverfahren erforderlich sind und die hohen mechanischen Eigenschaften von PEEK und seine hohe Temperaturbeständigkeit zu zähen Formen führen. Im Spritzgussverfahren können kleine Serien von Bauteilen hergestellt werden. Weitere Verbesserungen der Materialeigenschaften von PEEK sind möglich, wenn dem Filament kurze Fasern zugesetzt werden. Alles in allem ermöglicht der Einsatz von PEEK in Kombination mit dem FDM-Verfahren die schnelle und kostengünstige Herstellung komplexer und robuster Formen für Prototypen oder Kleinserien.

 

Einsatz von anderen Kunststoffmaterialien

Im Bereich der modernen Kunststofftechnik wird PEEK neben vielen anderen thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt. Einige andere Kunststoffe werden heute auch als Filament für die additive Herstellung hergestellt und mit FDM verarbeitet. So eignen sich beispielsweise im Vergleich zu teurem PEEK auch PEI (Polyetherimide) oder Polycarbonate (PC) als temperaturbeständige Werkstoffe für Formen. Diese Materialien können auch mit dem Drucker Plastjet 3C-855 der Fabru GmbH verarbeitet werden. Grundsätzlich muss je nach Anwendung das richtige Material mit dem richtigen Design für FDM kombiniert werden, um einen Mehrwert zu erzielen. Hier weist FDM viele Vorteile auf und bietet neben den gängigen Werkstoffen PLA und ABS eine breite Palette weiterer Kunststoffe für innovative Anwendungen.

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Anwendungsbereich:
Maschinenbau und Automatisierungstechnik

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