PTFE-Bauteile aus dem Drucker

PTFE wird im Anlagenbau vielseitig eingesetzt. Aufgrund seiner chemischen Trägheit eignet sich der Fluorkunststoff für Auskleidungen, Dichtungen oder Gleitlager überall dort, wo aggressive Chemikalien vorkommen. 3M Dyneon Fluorpolymere bieten unter chemisch und thermisch aggressiven Bedingungen Korrosionsschutz, sind nur schwer entflammbar und haben gute elektrische Isolationseigenschaften. Aufgrund des hohen Molekulargewichts und der hohen Schmelzviskosität konnte die Herstellung von Komponenten wie Gleitlager oder Dichtungen aus PTFE und modifiziertem PTFE bislang nicht wie bei anderen Thermoplaste aus der Schmelze erfolgen, sondern nur mittels verschiedener Press- und Sintertechniken. Dabei wird beim Pressen die lockere Pulverschüttung verdichtet und mit einem bestimmten Pressdruck kompaktiert. Nach dem Pressen werden die Presslinge einem definierten Sinterzyklus ausgesetzt. Nach Überschreiten des Kristallisationsschmelzpunktes geht das PTFE in den amorphen Zustand über und die zuvor kompaktierten Pulverteilchen sintern zu einem homogenen Gefüge zusammen.

3M hat nun eine zum Patent angemeldete Technologie für den 3-D-Druck vollfluorierter Polymere entwickelt. Auf diesem Weg können komplexe Strukturen hergestellt werden, die ansonsten nicht oder nur mit kostspieligen, traditionellen Verarbeitungstechniken produziert werden können. Beim 3-D-Druck werden dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Mögliche Artikel für den 3-D-Druck sind Print-on-Demand-Lösungen für Ersatzteile auf Fluorpolymerbasis und Sonderbauteile mit komplexer Geometrie. Besonders für das Fluorpolymer PTFE ist dieses Verfahren interessant. Die Technologie bahnt den Weg für die Herstellung von komplexen Teilen aus vollfluorierten Polymeren in einem einzigen Prozessschritt, die sonst durch traditionelles Pressen und Nachbearbeiten von Einzelteilen zu einem Formteil zusammengesetzt werden mussten.

3M hat die Stereolithografie, auch als „Vat-Polymerisation“ bekannt, als additiven Fertigungsprozess für PTFE und andere vollfluorierte Polymere gewählt. Die gedruckten Bauteile weisen ähnliche physikalische Eigenschaften wie mit traditionellen Verarbeitungstechniken hergestellte Bauteile auf. Die Stereolithografie beinhaltet das Vernetzen oder das Aushärten eines photosensitiven Werkstoffes durch Bestrahlung mit einer Lichtquelle. Typische maßgeschneiderte Rezepturen, die für den 3-D-Druck vollfluorierter Polymere mit Stereolithografie verwendet werden, enthalten zusätzlich zu den vollfluorierten Polymeren ein Bindemittel und optional weitere Additive. Die drei benötigten Verarbeitungsschritte sind die Bildung eines Aquagels, dessen Trocknung sowie das anschließende Entfernen des Bindemittels während einer thermischen Behandlung. Dieses Verfahren ist auch für PTFE-Compounds anwendbar. Die Entwicklung macht es möglich Ersatzteile und kundenspezifische Konstruktionen mit komplexer Geometrie im 3-D-Druckverfahren auf Abruf herzustellen, ohne auf kostspielige traditionelle Herstellungsverfahren zurückgreifen zu müssen.

Die neue Technologie stellt durch mögliche Materialeinsparung und weniger Abfall auch eine nachhaltigere Fertigungslösung dar. Die traditionellen Verfahren für die Herstellung von Bauteilen aus PTFE erzeugen dagegen beträchtliche Abfallmengen. Mit dem 3-D-Druck ist der Abfall jedoch minimal, und nicht genutztes Material kann für den nächsten Druckauftrag verwendet werden

www.prozesstechnik-online.deSuchwort: cav0117dyneon

Redakteurin, cav chemie anlagen verfahren

Frau Johnson-Mason, was gab den Anstoß zur Entwicklung eines 3-D-druckbaren Fluorpolymers?

Johnson-Mason: Der 3-D-Druck hat sich zu einer angesehenen Technologie für die Herstellung von Produkten, insbesondere für Prototypen und komplexe Bauteile entwickelt. Bisher waren die Bemühungen, diese Technik auf Fluorpolymere anzuwenden, eine Herausforderung. Infolgedessen haben wir nach Möglichkeiten gesucht, unsere PTFE-Expertise in diesem Bereich anzuwenden.

Welche Vorteile bietet diese Technologie?

Johnson-Mason: Der 3-D-Druck eignet sich besonders für die Herstellung von Prototypen oder für die Produktion von kleinen Chargengrößen, da der Hersteller nicht in eine teure Form investieren muss. Zusätzlich können sehr komplexe Bauteile mit dem 3-D-Druck produziert werden, die andernfalls nicht durch Spritzgussverfahren oder andere traditionelle Herstellungsverfahren produziert werden könnten.Ein Vorteil des 3-D-Drucks ist die Materialeinsparung vor allem mit PTFE. Suspensions-PTFE ist ein nicht schmelzverarbeitbares Material. Daher werden aus S-PTFE produzierte Bauteile derzeit durch traditionelles Pressen und Nachbearbeiten von Halbzeugen (Stäben oder Blöcken) in finale Formteile verarbeitet, welches zu beträchtlichen Abfallmengen führt.

Welche Schritte waren notwendig, um PTFE in dieser Form verarbeitbar zu machen?

Johnson-Mason: Wir haben viele Techniken des 3-D-Drucks mit Fluorpolymeren untersucht. Erstmalig haben wir auf der K-Messe die Stereolithografie als additiven Fertigungsprozess für PTFE vorgestellt. Dieses beinhaltete auch die Entwicklung einer PTFE-Rezeptur, die für den 3-D-Druck prädestiniert ist.

Lassen sich zukünftig alle Fluorpolymere von Dyneon im 3-D-Drucker verarbeiten?

Johnson-Mason: Zurzeit erforschen und entwickeln wir verschiedene Technologien mit mehreren Fluorpolymertypen.

Welche Komponenten könnten mittels 3-D-Druck hergestellt werden?

Johnson-Mason: Die Größe der gedruckten Bauteile wird nur begrenzt durch die wannenartige Vertiefung des Druckers. Die Technologie ist besonders nützlich für komplexe oder filigrane Formen, die nicht durch traditionelle Produktionsverfahren hergestellt werden können.

In welcher Form wird der Ausgangsstoff für den 3D-Drucker vorliegen?

Johnson-Mason: Derzeit evaluieren wir die „Go-to-Market“-Strategie von 3M in diesem Bereich.