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Wozu die Kunststoffindustrie Schutzgase beim 3D-Druck benötigt

In der industriellen Fertigung von Kunststoffen spielt der 3D-Druck eine immer größere Rolle. Vor allem Kunststoffe, die als Polyamide bezeichnet werden, treiben diese Entwicklung entscheidend voran. Was aber muss bei der Verarbeitung dieses Werkstoffs beachtet werden?

Als der 3D-Druck oder auch die additive Fertigung noch nicht so weit verbreitet waren, diente das Verfahren vor allem dem Rapid Prototyping, Anschauungsobjekten oder von Ersatzteilen. Letztere gehören zu den wichtigsten Anwendungsgebieten. Heute wird 3D-Printing auch vielfach für den Bau von Vorrichtungen, Funktionsbauteilen und insbesondere die Produktion von geometrisch-komplexen Kleinserien genutzt.

Diese Entwicklung bestätigt sich an den wirtschaftlichen Zahlen: Im Jahre 2014 betrug der gesamte weltweite Markt an 3D-Druck-Bauteilen noch rund 4 Milliarden US-Dollar. Bis 2025 soll der Markt auf rund 50 Milliarden US-Dollar anwachsen. Das kommt nicht von ungefähr, denn die Vorteile der additiven Fertigung sind überzeugend: verkürzte Produktionszeiten, deutliche Kostenvorteile bei relativ geringen Stückzahlen und vor allem die Realisierbarkeit von komplexen Geometrien.

Geeignete Auswahl des Werkstoffs beachten

Wer über den Einsatz der additiven Fertigung nachdenkt, sollte sich über die Eigenschaften des Bauteils im Klaren sein und sich mit der Frage beschäftigen, mit welchem Werkstoff diese zu erzielen sind. Die Wahl des geeigneten Werkstoffs kann sich als komplizierter herausstellen, als man vielleicht denkt, vor allem bei Kunststoffen.

Gerade bei Kunststoffen nämlich steht eine schier unübersichtliche Anzahl an möglichen Materialien mit vielen verschiedenen Eigenschaften im Hinblick auf Festigkeit, Flexibilität oder Textur bereit. Polyamide spielen eine besonders herausragende Rolle, sie müssen aber auch mit Schutzgasen aufbereitet und gedruckt werden.

Was leisten Polyamide?

„Ein paar Werkstoffe wie zum Beispiel Polyamide, die mit dem SLS-Verfahren, also dem Selective Laser Sintering, verarbeitet werden, erfordern Schutzgase“, erklärt Dirk Kampffmeyer, Experte für Schweißen und Additive Fertigungsverfahren bei Messer. „Wobei das SLS-Verfahren als Pulverbett-Verfahren ähnlich wie das im Metallbereich arbeitet. Es kommt nur in einer wesentlich vereinfachten und mit einer veränderten Schutzgaszuführung zum Einsatz.“ Beim SLS-Verfahren werden Kunststoffpulver verwendet, wobei diese mit einem Laser Schicht für Schicht verschmolzen werden.

Polyamide zeichnen sich unter anderem durch ihre Stabilität, Steifigkeit, Flexibilität, Schlagfestigkeit und auch Biokompatibilität aus. Letzteres bedeutet, dass sie sich ebenfalls für Objekte mit Lebensmittelkontakt qualifizieren. Diese Charakteristika führen zu einem breiten Anwendungsspektrum und einem hohen Detaillierungsgrad, die beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Robotik und bei medizinischen Prothesen oder Spritzgussformen erforderlich sind.

Wie werden Kunststoffe für den 3D-Druck aufbereitet?

Bei der Herstellung des Kunststoffpulvers bietet sich die Möglichkeit des sogenannten Kaltmahlens. Denn manche Werkstoffe lassen sich nur bei sehr tiefen Temperaturen zerkleinern. Zu diesem Zweck werden die zu mahlenden Stoffe mit tiefkaltem, flüssigem Stickstoff oder Kohlendioxid abgekühlt und versprödet.

„Mit diesem Verfahren werden besonders hohe Kornfeinheiten bei gleichzeitiger Erhaltung der Produktqualität erzielt“, so Kampffmeyer. „Das Kühlen des Mahlvorgangs mit kryogenen Gasen verhindert insbesondere bei wärmeempfindlichen Stoffen einen Temperaturanstieg, der durch die elektrische Energie der Mühlenmotoren entsteht.“

Gleichzeitig wird der Durchsatz der Schwingmühle deutlich gesteigert. Denn erst in Pulverform lassen sich viele Materialien effizient für den 3D-Druck verwenden. Der Einsatz von Schutzgasen hat noch weitere wichtige Vorteile: Es entsteht ein großer Fein- oder Feinstgutanteil, der Energiebedarf wird reduziert, das Verschmelzen und Verkleben von temperaturempfindlichen Kunststoffen wird vermieden und es gibt keine thermischen Schädigungen.

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