Die transformative Kraft von Innovationen bei additiven Materialien

Der langsame, aber stetige Vormarsch der additiven Fertigung (AM) in gängigen Produktionsumgebungen verändert die Art und Weise, wie Produkte aller Art entworfen, hergestellt und geliefert werden. Die Entwicklung fortschrittlicher Materialien bringt die Branche weiter voran, indem sie Endverbrauchsteile und -produkte mit verbesserten physikalischen Eigenschaften für eine bessere Nutzung bei geringeren Kosten sowie eine schnellere Lieferung und weniger Abfall ermöglicht.

Laut dem Forschungsunternehmen SmarTech Analysis werden Polymer-AM-Technologien im Laufe des nächsten Jahrzehnts voraussichtlich in einer Vielzahl von Branchen Einzug halten, wobei die Druckproduktion bis 2030 auf fast 26 Milliarden US-Dollar pro Jahr ansteigen wird. Bei der Zusammenstellung der Forschungsergebnisse untersuchte der Branchenbeobachter AM-Polymerteile, die sich über Prototypen erstrecken , Werkzeuge und Werkzeuge sowie Endproduktionsteile in acht Industriesegmenten, darunter Automobil, Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Energie und Medizin.

Insbesondere die Polymerwissenschaft bei der Entwicklung additiver Materialien für den 3D-Druck ist von Natur aus komplizierter als die Wissenschaft bei der Herstellung von Materialien für die traditionelle Fertigung. Darüber hinaus fehlen den heutigen 3D-Druckplattformen häufig die strengen Prozesskontrollen, die beim CNC- und Spritzgießen üblich sind, was eine weitere Schwierigkeit darstellt.

Die Verfolgung der Entwicklung von Additivmaterialien ist untrennbar mit neuen Prozessen verbunden, um aus bestehenden und neuen Polymerkombinationen einen größeren Nutzen zu ziehen. Eine ganzheitliche Betrachtung beider ist der Schlüssel zur Schließung von Marktlücken und zur Einführung neuer Fertigungsinnovationen.

Mit der zunehmenden Einführung von AM steigt auch die Nachfrage nach neuen und verbesserten Materialien sowie nach bewährten Anwendungsfällen und Leistungsvalidierungen. Eines der größten Hemmnisse ist derzeit die Notwendigkeit, die Verfügbarkeit leistungsfähigerer Materialien zu erhöhen. Unternehmen, die der Polymerwissenschaft Priorität einräumen, werden zu den ersten gehören, die den Markt revolutionieren, indem sie Standardharze mit Mehrwerteigenschaften aufwerten, um die Benutzerfreundlichkeit für eine größere Bandbreite von Anwendungen zu verbessern.

Zu den am häufigsten verwendeten Kunststoffmaterialien zählen Polyamide (sogenannte Nylons), ABS-Thermoplaste (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PLA (Polymilchsäure) und PC-Materialien (Polycarbonat). Jedes davon hat unterschiedliche Vor- und Nachteile in Bezug auf Polymereigenschaften, Leistungsmerkmale und Bedruckbarkeit.

Viele, wenn nicht alle, der beliebtesten Additivmaterialien können durch Verfeinerung von Polymerformulierungen und Compoundierungsprozessen verbessert werden. Es sind hochspezialisierte Fähigkeiten zur Steuerung der Morphologie und Partikelkristallisation erforderlich, die von Chemikern und Wissenschaftlern die Erstellung und Iteration neuer Materialformeln erfordern.

Beispielsweise ist Nylon 6/6 eines der am häufigsten verwendeten kommerziellen Nylons für den Spritzguss. Da es sich bei Nylon 6/6 um ein hochkristallines Polymer handelt, schrumpft es stark, weshalb es typischerweise zur Herstellung relativ kleiner Teile verwendet wird. Die Möglichkeit, die Kristallisationskinetik zu modifizieren, kann jedoch die Verwendung dieses stabilen, bewährten Materials auf die Herstellung größerer Formfaktoren erweitern.

In ähnlicher Weise öffnet die Fähigkeit, Kristallinität in typischerweise amorphen Polymeren wie Polycarbonat zu induzieren, die Tür für die Herstellung dieser Materialien mithilfe von Selective Laser Sintering (SLS), einer beliebten 3D-Druckplattform in der Kategorie der Pulverbettfusion . Das Ergebnis ist die Herstellung eines amorphen Polycarbonatmaterials, das die hohe Zähigkeit und Klarheit eines spritzgegossenen Polycarbonatteils in einem viel leichteren Formfaktor aufweist.

Die Polymer-Wertschöpfungskette erstreckt sich von der chemischen Erzeugung über die Formulierung, Formfaktorumwandlung, den Vertrieb und die Herstellungsmethode und reicht vom 3D-Druck bis zum traditionellen Formen, Extrudieren, Mahlen oder Pulverbeschichten. Die Optimierung additiver Materialien für alle Arten der Fertigung ist keine leichte Aufgabe.

Aus diesem Grund betreten Polymerwissenschaftler Neuland, um die Materialfestigkeit, Duktilität, Haltbarkeit, Chemikalien- und Feuchtigkeitsbeständigkeit, das Gewicht und die Nachhaltigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Dies erfordert eine sorgfältige Koordination und Kalibrierung von Chemie, Polymertechnik und Herstellungsprozessen, um die Architektur und Methode der Materialerzeugung und -bildung zu modifizieren.

Um die mechanischen, physikalischen und thermischen Eigenschaften zu optimieren, sind eine schnelle Materialiteration und eine ständige Feinabstimmung erforderlich. Wie bei jedem Herstellungsprozess ist der Ausgangspunkt die Anwendung, dicht gefolgt vom Business Case. Zusammen bestimmen diese kritischen Parameter die Entwurfsmethodik sowie die Auswahl des Materials und des Herstellungsprozesses.

In der Welt der additiven Fertigung werden Durchbrüche bei Polymerinnovationen durch die Nachfrage nach erschwinglicheren, leichteren Verbundwerkstoffen mit höherem Modul sowie durch die Möglichkeit, Materialien zu drucken, die bisher zu schwierig in additive Prozesse zu integrieren waren, sowie durch die Einbeziehung von Mehrwert vorangetrieben Die Hinzufügung von Eigenschaften zu bestehenden Polymeren führt zu einer neuen Klasse technischer Materialien mit besonderer Funktionalität, wie z. B. flammhemmenden oder widerstandsfähigen Eigenschaften. verstärkte Materialien, die Glasfasern sowie mineralische Füllstoffe, Kohlenstofffasern oder Nanoröhren enthalten.

Auch die Einbeziehung leitfähiger Eigenschaften nimmt zu, um elektrostatisch ableitende (ESD), EMI-abgeschirmte oder elektrisch leitfähige Materialien zu berücksichtigen. Der Bedarf an geschmierten Materialien ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um die Reibung und den Verschleiß der Teile zu verringern, sowie die Zugabe von UV-stabilen Materialien, um die Langlebigkeit der Teile zu erhöhen. Viele dieser Eigenschaften sollen den Nutzen von Materialien für traditionelle Fertigungs- und 3D-Druckanwendungen erweitern und umgekehrt.

Die Möglichkeit, die materielle Nachhaltigkeit zu steigern, gewinnt aus den richtigen Gründen immer mehr an Bedeutung. Zunächst einmal achten Unternehmen zunehmend darauf, woher ihre Materialien kommen – sind sie petrochemisch oder biobasiert? Das äußerst einfach zu verwendende PLA basiert auf nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, Zuckerrohr oder Zuckerrübenschnitzel. Polyamid 11 oder PA 11, eines der am häufigsten verwendeten Additivmaterialien, ist ein Biokunststoff aus Rizinusöl. Im Gegensatz dazu ist PA 12, ein weiterer häufig verwendeter Kunststoff, ein Material auf petrochemischer Basis, ebenso wie unter anderem ABS.

Obwohl Materialien aus erneuerbaren Ressourcen den CO2-Fußabdruck verringern können, sind sie nicht unbedingt biologisch abbaubar. Da die nachgelagerte Seite von entscheidender Bedeutung ist, muss unbedingt berücksichtigt werden, ob Materialien recycelt oder kompostiert werden können, sobald ein Teil oder Produkt das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Bei Einwegartikeln aus Kunststoff ist die Art des Materials ein großes Problem, was zu einem erheblichen Interesse an der Verwendung von heimkompostierbaren, biologisch abbaubaren und im Meer abbaubaren Materialien führt. Die laufende Forschung und Entwicklung bei der Formulierung biologisch abbaubarer Polymere und Additivmaterialien konzentriert sich darauf, wie die strengen Temperatur-, Sauerstoff- und Wasserbarriereeigenschaften am besten eingehalten werden können.

Die Verwendung von recycelten Post-Consumer-Materialien zur Herstellung von Filamenten für AM wirft ebenfalls Prozess- und Kostenüberlegungen auf. Die Kontrolle der Morphologie zur Kompensation der inhärenten Fehler und Defekte recycelter Materialien ist kompliziert, insbesondere wenn strenge mechanische Anforderungen erfüllt werden. Glücklicherweise sind die Bemühungen, Pulver und andere in der AM verwendete Materialien wiederzuverwenden und zu recyceln, weniger kompliziert und nehmen daher schneller zu.

Die Möglichkeit, den CO2-Fußabdruck durch Verringerung des Produktgewichts und Lokalisierung der Fertigung zu reduzieren, sind die Hauptvorteile von AM. Es ist jetzt möglich, äußerst komplizierte geometrische Formen mit weniger Teilen für die Konsolidierung von Stücklisten (BOM) zu erstellen. Darüber hinaus experimentieren Wissenschaftler mit verschiedenen Chemikalien, um die Anwendung von Füllstoffen in der gesamten Polymerkette zu verbessern und so stärkere und dennoch leichtere Materialien zu schaffen.

Ein gutes Beispiel ist die Wirkung von Kohlefaserfüllstoffen, die über die gesamte Polymerkette gebunden werden können, um eine deutlich höhere Lastübertragung auf die Fasern zu ermöglichen. Dadurch werden deutliche Verbesserungen der Materialfestigkeit erreicht, sodass weniger Material eingesetzt werden muss. Letztendlich werden weniger Ressourcen benötigt, um stärkere und dennoch leichtere Teile oder Produkte zu geringeren Kosten, weniger Abfall und weniger Energieverbrauch herzustellen.

Während der Leichtbau ein wichtiger Treiber für AM-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Gesundheitsbranche war, nimmt er jetzt auch in der Unterhaltungselektronik an Fahrt auf. Die Lokalisierung ist ein weiterer wichtiger Faktor, da sie die Möglichkeit bietet, Waren näher am Endkunden herzustellen und zu liefern, um das Lieferkettenmanagement zu rationalisieren, die Logistikkosten zu senken und den CO2-Fußabdruck zu verringern.

Auch neue umweltfreundliche Materialien wecken Interesse, da sie gegenüber den etablierten Herstellern erhebliche Vorteile für die Umwelt haben. Ein Beispiel ist ein innovatives Polyketon, das die Haltbarkeit und Festigkeit von PA 12 bieten kann, aber aus Kohlenmonoxid hergestellt wird, was dazu beiträgt, diesen Luftschadstoff aus der Umwelt zu entfernen.

Andere innovative Materialien können giftige Dämpfe und Emissionen reduzieren und/oder beseitigen, die möglicherweise schädlich für Menschen und den Planeten sind.

Der Einsatz hochspezialisierter Materialwissenschaften, fortschrittlicher Formulierungen und Compoundierungsverfahren sind wesentliche Bestandteile der idealen Rezepturen für Additivmaterialien. Was Gummi jedoch auf die Straße bringt, ist die Möglichkeit, diese Materialien für optimale Leistung auf verschiedenen 3D-Druckplattformen zu validieren und zu zertifizieren.

Eine strenge Prozesskontrolle ist zwingend erforderlich, um die dringend benötigte Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit entscheidender Eigenschaften wie mechanische Leistung und Maßgenauigkeit sicherzustellen. Die Systemintegration über verschiedene Prozesse und Plattformen hinweg ist für die Steigerung des Produktionsvolumens von entscheidender Bedeutung und gewährleistet gleichzeitig nahtlose Tests, Qualitätsprüfungen und Nachbearbeitung.

In dieser Hinsicht bleibt die AM-Branche hinter der traditionellen Fertigung zurück, die ein hohes Maß an Automatisierung, intelligenter Prozesssteuerung, maschinellem Lernen und Datenanalysen nutzt. Hochentwickelte Fertigungslinien überwachen und passen die Produktionsprozesse kontinuierlich an, um erstklassige Ergebnisse zu gewährleisten. Um mit AM ein ähnliches Maß an Konsistenz und Qualität zu erreichen, sind fortlaufende Investitionen und Innovationen erforderlich.

Um die Branche voranzubringen, sind interne Spezifikationen und Branchenzertifizierungen für additive Materialien und Prozesse erforderlich. Während die Regeln noch geschrieben werden, gibt es zahlreiche Beispiele aus Materialinnovationszentren und Fertigungskompetenzzentren, die als Grundlage für die Entwicklung von Best Practices und nächsten Schritten dienen und diese unterstützen.

Unternehmen mit Erfahrung und Fachwissen in der additiven und traditionellen Fertigung sind in der Lage, das Beste aus beiden Welten zu bieten. Diese Experten können Kunden nicht nur dabei unterstützen, von der transformativen Kraft additiver Materialien zu profitieren, sondern sie können auch den idealen Mix an Fertigungslösungen anwenden, um leistungsstärkere Teile und Produkte zu geringeren Kosten und mit weniger Abfall herzustellen.

Luke Rodgers ist Senior Director, Forschung und Entwicklung, Jabil (St. Petersburg, FL). Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Mai-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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