3D-Druck Anwendung für den Automobil Sektor dank PEEK

Im Automobil Sektor werden Materialien benötigt, die nicht nur belastbar sind, um für die Sicherheit der Fahrzeuge zu sorgen, sondern viele weitere Eigenschaften mitbringen müssen wie chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit oder Verschleißbeständigkeit. Dadurch wird gewährleistet, dass Teile deutlich langlebiger sind und weniger häufig ausgetauscht werden müssen. Dies kommt zum einen dem Konsumenten zu Gute, da er hier Kosten sparen kann, aber auch den Herstellern, da ein Automobil, welches weniger oft mit neuen Teilen versehen werden muss, für ein besseres Image sorgt.

Bislang waren Metalle die Materialien der Wahl, da sie alle wichtigen Eigenschaften vereinen. Ein großer Nachteil hierbei ist jedoch das Gewicht. Mit einem geringeren Gewicht lässt sich Treibstoff sparen und somit die CO­­2-Emission senken. Ein Gedanke der heutzutage immer öfter aufkommt.

PEEK als Metallersatz

Möglich macht dies das Hochleistungspolymer PEEK (Polyetheretherketon). Dank seiner teilkristallinen Struktur kann es bestens bei Temperaturen über seiner Glasübergangstemperatur von 143 °C eingesetzt werden und ist somit optimal für die Automobil Industrie, bei welcher Teile in den Antriebssträngen und Motoren meist bei 150 °C oder mehr funktionieren müssen. Auch bei höheren Temperaturen lässt sich PEEK dank seiner Schmelztemperatur von 343 °C und einer Gebrauchstemperatur bis zu 260 °C verwenden.

Neben seiner mechanischen Belastbarkeit ist das Polymer auch chemisch inert. Das ist vor allem für Teile im Antriebsstrang ein wichtiger Punkt, da sie dadurch keinen Schaden durch die verschiedenen Flüssigkeiten, wie Öle oder Kraftstoffe, nehmen. Konkrete Anwendungen sind bspw. Verschleißteile, die vorher aus Metall gefertigt wurden. Mit PEEK anstelle von Metall lässt sich bis zu 70% des Gewichts eines Teils reduzieren, was insgesamt zur Einsparung von 1-2% Treibstoff führt. Zudem liegt der Verschleiß der Teile 25-75% unter dem Wert der Metalle; die Teile sind auch beständiger gegenüber zu wenig Schmiermitteln. Ein weiteres Plus gegenüber Metallen ist die Geräuschreduzierung.

PEEK Teile aus dem 3D-Drucker

Die effektivste Möglichkeit PEEK zu verarbeiten ist der 3D-Druck. Hiermit lassen sich Teile herstellen, welche aufgrund ihrer komplexen Geometrie mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich wären. Viel wichtiger jedoch, ist das Potenzial Material einzusparen. Bspw. bei der FFF (Fused Filament Fabrication) Technologie wird ein Kunststoffstrang, das Filament, durch eine Düse geschmolzen und schichtweise aufgetragen. Dadurch wird ausschließlich das Material verwendet, welches im Bauteil landet. Im Vergleich zum CNC-Fräsen, bei dem je nach Anwendung bis zu 90% des Materials als Späne enden, erbringt der 3D-Druck eine deutliche Ersparnis der Materialkosten.

Auch wenn das FFF Verfahren nicht zur Massenproduktion eingesetzt werden kann, ist es jedoch für die Forschung und Entwicklung ein Verfahren, welches ohne großen Aufwand Prototypen liefert. Außerdem lassen sich hiermit spezielle, individuelle Teile fertigen, auch Kleinserien sind denkbar. Abbildung 1 und 2 zeigen 3D gedruckte Teile aus PEEK welche in Antriebssträngen verwendet werden können. Beide Teile wurden mit einem Indmatec HPP 155 3D-Drucker hergestellt.

Abbildung 1: Kegelzahnrad

Abbildung 2: Dichtungsringe

Der Vorteil von Zahnrädern aus PEEK liegt vor allem in der Verschleißbeständigkeit gegenüber den Kräften, die zwischen den Zahnrädern wirken. Dichtungsringe aus PEEK besitzen den Vorteil resistent gegenüber den Flüssigkeiten in Automobilen zu sein, wodurch sie langlebiger sind.

Ein ausschlaggebendes Kriterium bei der Herstellung von funktionellen Teilen mit dem additiven Verfahren ist die Frage, ob das Teil an die Festigkeiten von konventionell hergestellten Produkten heranreicht. Abbildung 3 zeigt einen Zugtestvergleich von PEEK hergestellt mit Selektivem Lasersinter (SLS), Indmatecs FFF und Pulverspritzguss (PIM). Hierbei wird deutlich, dass das FFF Verfahren, was Festigkeit anbelangt, im Bereich des Spritzgusses liegt. Die Tests wurden in X/Y-Richtung durchgeführt, in Z-Richtung ist die Festigkeit, aufgrund des Schichtverfahrens, ca. 30% niedriger.

Abbildung3: Zugtestvergleich

Neben der Möglichkeit komplexe Geometrien mit einem 3D-Drucker herzustellen, lassen sich damit auch Bauteile in Leichtbauweise fertigen, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Mit dem Spritzgussverfahren wäre eine solche Konstruktion nicht möglich. Dank der Wabenstruktur besteht etwa die gleiche Festigkeit gegenüber einem vollgedruckten Teil, jedoch mit deutlicher Material- und Gewichtsersparnis. 

Abbildung 4: Leichtbauwinkel

Der 3D-Druck in Kombination mit Hochleistungspolymeren, wie PEEK, lässt sich demnach als sinnvolle Alternative zur Fertigung von Metallteilen in der Automobilbranche verwenden, um Fahrzeuge noch effektiver zu gestalten oder den Weg von der Idee zum Serienmodell einfacher zu realisieren.