Wann Hochleistungskunststoffe sinnvoll sind
Die meisten Bauteile brauchen sie nicht. PEEK und ULTEM kommen dann ins Spiel, wenn ein technischer Kunststoff wie PA6-CF oder PC an seine Grenze stößt: bei Dauertemperaturen über etwa 150 °C, bei aggressiven Medien, Heißdampf oder Sterilisation, bei Anforderungen an Flammschutz und Rauchgas, oder wenn ein gefrästes Metallteil durch ein leichteres Kunststoffteil mit ähnlicher Steifigkeit ersetzt werden soll. Als Dienstleister für den 3D-Druck mit PEEK und ULTEM sagen wir Ihnen in allen anderen Fällen, welcher günstigere Werkstoff die Aufgabe ebenso erfüllt.
Die Werkstoffe im Vergleich
| Werkstoff | Zugfestigkeit | Wärmeformbeständigkeit | Dauergebrauch | Wofür |
|---|---|---|---|---|
| PEEK | 98 MPa | 152 °C | 250 °C | chemikalien- und hydrolysebeständig, sterilisierbar: Bauteile im Medienkontakt, Fluidik |
| PEEK-CF | 130 MPa | 300 °C | 250 °C | carbonfaserverstärkt, metallnahe Steifigkeit: Hochtemperaturvorrichtungen, Metallersatz |
| ULTEM 1010 | 81 MPa | 213 °C | 180 °C | steifster PEI-Werkstoff, dampfsterilisierbar: Lehren, Prüfvorrichtungen |
| ULTEM 9085 | 71 MPa | 153 °C | 160 °C | flammhemmend, geringe Rauchgasentwicklung: Interieur in Luftfahrt und Bahn |
| PPS-CF | 90 MPa | 250 °C | 200 °C | chemikalien- und hydrolysebeständig, formstabil unter Dauerlast: Bauteile im Medienkontakt |
Alle Werte sind Richtwerte aus den Datenblättern der Hersteller, ermittelt an genormten Prüfkörpern, Zugfestigkeit in der Schichtebene. Die Wärmeformbeständigkeit ist die Temperatur unter kurzzeitiger Last, der Dauergebrauch die Temperatur, bis zu der ein Bauteil ohne besondere Vereinbarung dauerhaft eingesetzt werden kann; in der Konstruktion ist der Dauergebrauch die maßgebliche Größe. Bei PEEK liegt die Wärmeformbeständigkeit unter dem Dauergebrauch, weil der Werkstoff oberhalb seiner Glasübergangstemperatur weich wird, aber chemisch und thermisch stabil bleibt. Kurzzeitig höhere Temperaturen, Last bei Wärme, Medienkontakt und UV stimmen wir bauteilbezogen ab.
Was die Anlage leisten muss
PEEK schmilzt bei rund 340 °C und wird mit Düsentemperaturen über 400 °C verarbeitet, ULTEM etwas darunter. Damit die Schichten aneinander haften und das Bauteil nicht verzieht, muss der Bauraum aktiv beheizt sein. Das Material wird vor dem Druck getrocknet, weil Feuchte im Strang Blasen und schwache Schichtverbindungen erzeugt. Nach dem Druck werden die Teile getempert: Im Wärmeschrank kristallisiert das Gefüge aus, Eigenspannungen aus dem Druck bauen sich ab, erst danach erreicht das Bauteil die Kennwerte aus der Tabelle. Diese Bedingungen sind der Grund, warum Hochleistungskunststoffe auf einem gewöhnlichen FDM-Drucker nicht funktionieren, und der Grund, warum wir die Parameter je Werkstoff einmal freigeben und danach nicht mehr anfassen.
Konstruktion mit PEEK und ULTEM
- Wandstärken ab 1,5 mm, besser 2 mm; dünne, flächige Bereiche neigen bei diesen Werkstoffen stärker zum Verzug als bei PETG oder PA.
- Die Allgemeintoleranz beträgt wie bei allen FDM-Teilen ± 0,5 % des Nennmaßes, mindestens ± 0,5 mm. Passflächen und Passbohrungen arbeiten wir spanend nach; PEEK und ULTEM lassen sich gut fräsen.
- Gewinde als Einsatz oder nachträglich geschnitten, Wandstärke um den Einsatz mindestens 2 mm.
- Die Aufbaurichtung bestimmt die Festigkeit: Bei belasteten Teilen nennen Sie uns die kritische Lastrichtung.
- Faserverstärkte Varianten (PEEK-CF, PPS-CF) sind steifer und maßhaltiger, aber spröder und in der Oberfläche rauer.
Die allgemeinen Regeln stehen unter Wandstärken und Konstruktionsregeln, die Toleranzen unter Toleranzen im 3D-Druck.
Typische Anwendungen
- Vorrichtungen mit Wärmekontakt: Aufnahmen in Öfen, Lötprozessen und Temperierkammern aus PEEK-CF oder ULTEM 1010, siehe Vorrichtungen und Betriebsmittel.
- Lehren und Prüfvorrichtungen, die dampfsterilisiert oder mit Reinigern behandelt werden.
- Bauteile im Medienkontakt aus PEEK oder PPS-CF: Verteiler, Adapter, Halter in Fluidsystemen.
- Metallersatz: gefräste Aluminiumhalter durch PEEK-CF ersetzen, wo Gewicht und Wärmeleitung stören.
- Interieurteile für Luftfahrt und Bahn aus ULTEM 9085, dessen Flammschutz und Rauchgasverhalten dafür ausgelegt sind.
Für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt, Medizinprodukten, druckführenden oder sicherheitskritischen Bauteilen und im Lebensmittelkontakt vereinbaren wir Anforderungen, Prüfumfang und Dokumentation vorab in Textform, wie in unserer Fertigungsrichtlinie beschrieben.
Preis und Lieferzeit
Hochleistungskunststoffe kosten ein Vielfaches technischer Werkstoffe, und der Druck läuft langsamer, weil jede Schicht bei hoher Bauraumtemperatur gelegt wird. Der Preis eines Bauteils hängt deshalb vor allem an seiner Bauhöhe und am Volumen, weniger an der Stückzahl. Sie erhalten in der Regel innerhalb eines Werktages ein Angebot; gefertigt wird in der Regel ab sieben Werktagen nach Freigabe, Trocknen und Tempern eingerechnet, bei großer Bauhöhe entsprechend länger. Wie der Preis im Einzelnen entsteht, erklärt Was kostet 3D-Druck?.