Verbesserung von additiv hergestellten Teilen durch Nanofasern

Technologien

• Nanofasern
• Polyetherimid
• Additive Fertigung
• Düsendesign
• Leitfähigkeit

Ausgangslage

Miralon-Nanofasern unter dem Mikroskop

Die additive Fertigung wird in hohem Masse für das Prototyping und die Vorserienfertigung eingesetzt. Zum Portfolio von Huntsman gehören die neuartigen Nanofasern Miralon, die ein hohes Aspektverhältnis aufweisen. In Kombination mit Thermoplasten haben Huntsman, die Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) und das Kunststoff Ausbildungs - und Technologie-Zentrum KATZ Spritzguss- und Filamentmaterialien für das Fused Filament Fabrication (FFF)-Verfahren mit verbesserten Eigenschaften entwickelt. Die Querfestigkeit von FFF-Teilen ist im Vergleich zur Längsfestigkeit geringer. Durch die Einarbeitung solcher Nanofasern kann diese Festigkeit erhöht werden. Ein weiterer Vorteil der Fasern ist ihre hohe elektrische Leitfähigkeit.

Ziele

Druck einer Halterung aus PEI mit Miralon-Nanofasern

Das Hauptziel dieses Projekts war die Verbesserung der Querfestigkeit von additiv hergestellten Teilen durch Nanofasern mit hohem Aspektverhältnis. Aus diesem Grund mussten verschiedene Mischungen mit Miralon, Kompatibilisatoren und thermoplastischen Polymeren hergestellt und charakterisiert werden. Eine der grössten Herausforderungen war die Dispersion und Verteilung von Miralon innerhalb des thermoplastischen Polymers. Zur Optimierung mussten verschiedene Compoundierverfahren verglichen werden: Innenmischer, Doppelschneckenextruder, Mehrspindel-Extruder und Co-Kneter.

Eine Filament-Extrusionsanlage musste entwickelt, gebaut und installiert werden.

Die mechanische Analyse von spritzgegossenen und gedruckten Zugproben musste durchgeführt werden.

Ergebnis

Das Projektteam konnte eindeutig nachweisen, dass die Zugabe von Miralon-Nanofasern in technische Hochleistungspolymere wie PET-G, PA12 oder PEI die mechanische Leistungsfähigkeit um etwa 10-30% und die Leitfähigkeit um mehrere Grössenordnungen in spritzgegossenen und 3D-gedruckten Teilen deutlich erhöht.

Der Druckprozess bzw. der daraus resultierende Strömungsmechanismus in der Düse während der Extrusion wurde simuliert und untersucht. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde eine neue Düsengeometrie ausgearbeitet und im SLM-Druckverfahren hergestellt. Diese neue Düsengeometrie zielt darauf ab, die Richtung der Miralon-Nanofasern in der Polymerschmelze während des Drucks zu ändern. So sollen sich die Miralon-Nanofasern nicht nur in Fliessrichtung, sondern auch quer dazu ausrichten.

Das Team konnte mit einem teilkristallinen und einem amorphen Material mit und ohne Nanofasern zeigen, dass sich eine spezielle Düsengeometrie positiv auf die mechanische Leistung im Allgemeinen und auf die Querfestigkeit im Speziellen auswirken kann. Darüber hinaus waren die mechanischen Eigenschaften von gedruckten Teilen mit 1 % Miralon-Nanofasern im Vergleich zu einer kommerziellen Referenz mit 20 % Kohlenstofffasern besser, insbesondere bei Verwendung der speziellen Düsengeometrie.

Als Demonstrator wurde auf der JEC 2022 in Paris ein 3D-gedruckte Halterung gezeigt.

Filament und Halterung aus PEI + Miralon ausgestellt auf der JEC-Messe 2022.