Eine wissenschaftsorientierte Betrachtung von unerwünschten Bestandteilen in 3D gedruckten Polymeren

Ein unerwünschter Effekt bei thermischer Umformung von Thermoplasten ist das Auftreten von schwarzen Punkten in dem bereits verarbeiteten Material. Diese schwarzen Punkte haben ihren Ursprung in der thermisch-mechanischen Bearbeitung des Materials. Es wird jedoch selten bei unverarbeiteten Polymeren beobachtet, weil die Synthese, durch die das Polymer hergestellt wird, meist sehr akribisch kontrolliert wird.

Auf dem Gebiet der „Fused Filament Fabrication“-3D-Druck-Technologie (FFF) können schwarze Punkte möglicherweise in gedruckten Teilen entstehenoder in den Bereichen im Inneren des Druckers, in denen sich die Schmelze befindet, wie die Düse und die umliegenden Bereiche. Sollten diese Punkte auftreten, kann es dem schlechten Temperaturmanagement während des Druckvorgangs zugeordnet werden. Während die Materialwissenschaft unkontrollierbare thermodynamische Änderungen (Schwankungen in Konzentration, Druck oder Temperatur) als Ursache für die Bildung der schwarzen Punkte in der Schmelze verantwortlich macht, ist es zudem selbstverständlich, dass die Temperatur eine grundlegende Rolle spielt.

Die möglichen Ursachen von schwarzen Punkten in FFF 3D gedruckten Teilen sind:

·         Zersetzung des geschmolzenen Filaments

·         Zersetzung des geschmolzenen Filaments innerhalb des Düsenschafts

·         Schlecht designter Düsenspitzenbereich, sodass sich die Schmelze an der freigelegten Oberfläche sammelt und anschließend zersetzt

·         Unregelmäßige thermische Belastung der Schmelze durch die Heizelemente

·         Zersetzung der Schmelze aufgrund von Fremdkörpern, die sich mit der Schmelze verbinden

·         Verlängerte Verweildauer der Schmelze im Düsengang/-gehäuse

·         Zu hohe Verarbeitungstemperatur

Für Hochtemperatur-Polymerwerkstoffe wie PEEK ist eine strikte Beherrschung der temperaturabhängigen Vorgänge wünschenswert. Apiums 3D-Drucker sind speziell dafür designt, um sicherzustellen, dass sich keine schwarzen Punkte im gedruckten Teil entwickeln. Selbst für Verarbeitungstemperaturen, die deutlich höher sind als die Schmelztemperatur von PEEK. Auf Basis dieses technischen Erfolgs ist es Apium möglich, naturfarbenes (beiges) PEEK für die Herstellung von Sichtteilen, Demonstrationsmodellen und Endnutzeranwendungen zu verarbeiten. Diese Punkte, falls vorhanden, sind in schwarzem PEEK oder auch in stark amorphem PEEK (wenig kristallines PEEK, dunkelbraun) verständlicherweise kaum sichtbar für das menschliche Auge (Abbildung A).

Abbildung A. Bild von PEEK Teilen die schwarze Punkte aufweisen

Abbildung A. Bild von PEEK Teilen die schwarze Punkte aufweisen

Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometrie (FTIR) ermöglicht die Bestimmung der Art chemischer Bindungen in Materialien, basierend auf der Absorption oder Transmission des Materials von Infrarotlicht, auf einem relativ weiten Wellenlängenbereich. Die FTIR Untersuchung von FFF 3D-gedruckten Teilen aus PEEK mit schwarzen Punkten und ohne schwarze Punkte offenbart (Spektrum in Abbildung B), dass die Merkmale der aromatischen Gruppe, ebenso wie die der Carboxylgruppe in der PEEK-Struktur im fleckenfreien Teil detektiert wurden, während diese Gruppen im fleckenreichen Teil nicht aufgespürt wurden.

Das Ergebnis bestätigt das Vorkommen thermischer Oxidation (Verbrennung) des Materials zusammen mit dem Auftreten atmosphärischen CO2s. Das Resultat zeigt, dass sich die chemische Struktur des PEEKs (durch Oxidierung) verändert hat und daher die einzigartigen Eigenschaften des Materials verloren sind. Folglich ist ein schwarzer Fleck eine verbrannte Masse von Verunreinigungen in Polymeren.

Abbildung B. FITR Spektrum von PEEK Proben im fleckenlosen und fleckenreichen Zustand

Abbildung B. FITR Spektrum von PEEK Proben im fleckenlosen und fleckenreichen Zustand

Die notwendigen Prozesse um qualitativ hochwertiges PEEK mittels der FFF-Technologie 3D-drucken zu können, wurden bei Apium entwickelt und etabliert. Diese Leistung ermöglicht die Verarbeitung anderer Hochtemperatur-Polymere durch die FFF 3D-Druck-Technologie ohne Schädigung des Materials und ohne Bildung schwarzer Punkte.

 

Anerkennung
Die FTIR-Analyse wurde vom ARC Centre in ADDITIVE BIOMANUFACTURING durchgeführt, welches von Professor Dietmar W Hutmacher an der Queensland Universität für Technologie – Australien geleitet wird.