Polypropylen XXL

Abbildung 1: Beide Modelle einer Lavaldüse sind aus PP gefertigt. Die benötige Druckzeit liegt jeweils bei etwa 5,5 Stunden. Die große Düse wurde mittels LAAM-Verfahren, die darauf platzierte kleinere Düse über den FFF-Prozess gedruckt. (Bilder: NMB)

Die extrusionsbasierte additive Fertigung von Thermoplasten basiert auf dem schichtweisen Aufbau eines Bauteils aus einer Kunststoffschmelze. Das bekannteste Verfahren ist das Fused Filament Fabrication (FFF) Verfahren, wobei das Rohmaterial in Filamentform vorliegt. Dieses wird in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und die Schmelze in x-y-Richtung aufgetragen. Durch das anschließende Abkühlen verfestigt sich die Schmelze, und nach Absenken des Druckbetts um die Schichthöhe, wird die nächste Schicht in der Ebene abgelegt. Dieses Verfahren ist jedoch meist auf kleine Bauräume in der Größenordnung von beispielsweise 0,3 x 0,3 x 0,3 m³ begrenzt. Zudem ist mit einem mittleren Masseausstoß von etwa 0,02 kg/h die Druckzeit für ein einzelnes Bauteil sehr lange. [1]

LAAM: bis zu 5.000 mal höherer Materialaustrag möglich

Vom Large Area Additive Manufacturing (LAAM) Verfahren spricht man bei Bauteilvolumen größer 1 m³ [2]. Um wirtschaftlich großvolumige Bauteile herzustellen, sind ein größerer Materialaustrag und ein günstigeres Ausgangsmaterial notwendig, als bei üblicherweise eingesetzten FFF Druckern. Daher wird Granulat mit Hilfe eines senkrecht angeordneten und in der x-y-Ebene verfahrbaren Schneckenextruders aufgeschmolzen und die austretende Schmelze abgelegt. Je nach Druckerhersteller sind im LAAM-Verfahren bis zu 100 kg/h Masseausstoß realisierbar. So kann bis zu 5.000 mal mehr Material verarbeitet werden, als im FFF-Verfahren in gleicher Zeit. [2, 3]. Abbildung 1 veranschaulicht den Unterschied zwischen den beschriebenen Verfahren. Beide Modelle einer Lavaldüse wurden einwandig aus PP gedruckt. Die große Düse wurde mittels LAAM-Verfahren und die darauf platzierte kleinere Düse über das FFF-Verfahren hergestellt.

Bei dem Unternehmen Neue Materialien Bayreuth (NMB) wurde eine modular aufgebaute LAAM-Anlage entwickelt, an die verschiedene Extruder in unterschiedlichen Größen und Massedurchsätzen unabhängig vom Hersteller adaptiert werden können. Dieser Versuchsaufbau eignet sich somit für Material- und Prozessentwicklung. In Abbildung 2 ist die Anlage mit einem Extruder der Firma Dyze Design mit einem Masseausstoß bis zu 2,5 kg/h und Düsendurchmesser von 1 mm bis 5 mm zu sehen.

Abbildung 2: Selbst entwickelter LAAM-Drucker bei NMB.

Besonders der Materialschwund und damit einhergehender Verzug beim Abkühlen sind kritisch für den Prozess, weshalb bisher im LAAM-Verfahren vor allem amorphe Materialien mit Faserverstärkung eingesetzt wurden, um eine Formstabilität zu gewährleisten [3, 4]. Teilkristalline Materialien wie Polypropylen (PP) weisen eine größere Schwindung auf. Zudem stellt die Anhaftung zur vorausgehenden Schicht eine Herausforderung dar. Die ausgetragene Schmelze und der darunter abgelegte Strang müssen ausreichende Kettenbeweglichkeit besitzen, um eine schnelle Interdiffusion zu ermöglichen. Gleichzeitig müssen die tragenden Stränge stabil genug für die nächsten Lagen sein. Aus diesen Gründen ist ein differenziertes Temperaturmanagement für den Prozess notwendig. Essenziell für ein ausreichend breites Verarbeitungsfenster sind daher zielgerichtet optimierte Materialien.

PP maßgeschneidert für den extrusionsbasierten 3D-Druck

Das Eigenschaftsprofil von PP kann über die Wahl der Polymerisationsbedingungen und der Katalysatoren maßgeschneidert werden. Daher führen optimierte Herstellungsprozesse zu sehr reinen isotaktischen, syndiotaktischen oder auch ataktische Polymerisaten. Der am häufigsten in PP Produkten verwendete PP-Typ ist das isotaktische PP Homopolymer. Die relativ hohe Kristallisationsneigung der regelmäßig und periodisch einpolymerisierten Propenmonomere führt zu einer relativ hohen Kristallinität, die wiederum eine relativ hohe Steifigkeit des PP-Materials verursacht. Da aber mit der Kristallisation des PP-Materials eine sprunghafte Erniedrigung des Volumens einhergeht, ist das Festwerden der Schmelze mit einer Volumenkontraktion verbunden, die oft zum Verzug des Objektes führt. Daher eignen sich isotakische PP Homopolymere nur sehr bedingt für die Additive Fertigung. Im Hinblick auf einen erfolgreichen extrusionsbasierten 3D-Druck mit Filamenten oder auch im Falle der Direktextrusion mit Granulat muss daher ein PP Material mit einer möglichst hohen Steifigkeit, aber geringem Verzug eingesetzt werden.

Abbildung 3: Vergleich von Zugspannungs-Dehnungs-Diagrammen von 3D gedruckten Prüfstäben aus einem kommerziellen i-PP-Filament Polypropylen (blau) und dem P-filament 721 von PPprint (rot). In den beiden linken Prüfstäben sind die Schichten horizontal zur Zugrichtung angeordnet, sodass die Messung die Haftung der 3D-gedruckten Schichten wiedergibt. Der auf diese Weise aus i-PP hergestellte Prüfstab weist im Vergleich zum P-filament 721 eine deutlich geringere Haftung der 3D-gedruckten Schichten auf. Die 3D-gedruckten Schichten der beiden rechten Prüfstäbe sind parallel zur Zugrichtung angeordnet. Die erhaltenen Messkurven sind sehr ähnlich und entsprechen dem Verhalten spritzgegossenen Prüfstäben aus diesen Materialklassen.

Einen sehr vielversprechenden Basistypen stellen in diesem Zusammenhang statistisch copolymerisierte Polypropylen Copolymere (PP Copolymere) dar. Hier sind zu dem Propenmonomeren in der Regel ein geringer Massenanteil von Ethenmonomeren statistisch in die Polymerkette einpolymerisiert. PP Copolymere zeichnet eine deutlich bessere Schlagzähigkeit aus, die allerdings aufgrund des niedrigeren Kristallinitätsgrades eine etwas geringere Steifigkeit und ein geringeres Elastizitätsmodul zur Folge haben. Weiterhin sind PP Copolymere flexibler und optisch etwas transparenter im Vergleich zu isotaktischen Homopolymeren, sodass sie sich additiviert mit Klarmodifizieren für anspruchsvolle optische Anwendungen eignen. Die genannten Vorzüge haben dazu geführt, dass sehr viele der heutzutage für den extrusionsbasierten 3D-Druck erhältlichen PP-Filamente oder Granulate aus PP Copolymeren oder aus Mischungen von isotaktischen PP mit PP Copolymeren bestehen. Die kommerziell erhältlichen P-pellets 310 für den extrusionsbasierten 3D-Druck der Firma PPprint wurden neben einem möglichst hohen Elastizitätsmodul in Kombination mit einem geringen Verzug auch auf eine extrem gute Schichtenhaftung der übereinander extrudierten Lagen optimiert (Abbildung 3). PPprint ist eine Ausgründung der Universität Bayreuth.

Wichtig für den extrusionsbasierten 3D-Druck sind schließlich auch die Fließeigenschaften der Schmelze. Vor allem bei der Direktextrusion von Granulat, bei der in der Regel Stränge mit Durchmessern von mehreren Millimetern extrudiert werden, muss sich einerseits der aufgeschmolzene extrudierte Strang gut ablegen lassen und mit der Unterschicht fest verschmelzen, darf aber andererseits nicht zu niederviskos sein, damit eine gewisse Formstabilität und gleichmäßige Dicke der abgelegten Lagen gewährleistet werden.

Design und Funktion vereint

Abbildung 4: Sitzhocker aus PP, realisiert durch Direktdruck mittels LAAM-Verfahren auf PP-Partikelschaum (blau).

Der schichtweise Aufbau generiert eine strukturierte Oberfläche, welche mit zunehmendem Düsendurchmesser und daraus resultierender größeren Schichthöhe die Endkontur schlechter abbildet. Für manche Anwendungen ist es notwendig, die Oberfläche nachzubearbeiten, um diese zu glätten. Jedoch kann diese Struktur auch gezielt als Designelement eingesetzt werden. Die gleichmäßige Struktur, gepaart mit einem bionischen Grundaufbau bildet ein einzigartiges Design für den Sitzhocker (Abbildung 4), der im Oktober 2020 mit dem Materialica Design & Technology Award 2020 in der Kategorie „Material“ ausgezeichnet wurde. Hierfür wurde mittels lastgerechter Topologieoptimierung eine belastbare, aber leichte Struktur designt, die nur durch 3D-Druck zu fertigen ist und lediglich 2,7 kg wiegt.

Abbildung 5: Detailansicht: Auf EPP (blau) gedruckte 3D-Struktur aus PP (farblos, transluzent).

Eine Besonderheit an diesem Sitzhocker ist die Kombination von unterschiedlich verarbeitetem PP. Für die Sitzfläche aus expandiertem Polypropylen (EPP) werden lose Partikelschaum-Perlen zunächst in einem Formteilautomaten mittels Wasserdampf zu einer Platte versintert. Dieses Halbzeug bildet die bequeme Sitzfläche, worauf direkt die Beinstruktur des Hockers gedruckt wurde. So wird ein zusätzlicher Fügeschritt einzelner Komponenten eingespart. Beim Druckprozess muss einerseits eine feste Bindung der Stützstruktur an die Sitzfläche entstehen, andererseits darf die feine Schaumstruktur der Platte nicht zerstört werden. Die Schmelzbereiche des EPP und der P-pellets 310 sind kompatibel. Das heißt, es ist möglich, die gedruckte Struktur stoffschlüssig fest mit der EPP-Platte zu verbinden  ̶  bei gleichzeitigem Erhalt der Stabilität und Leichtigkeit des EPP. Abbildung 5 zeigt die angedruckte Struktur im Detail.

Monomaterialeinsatz erlaubt Recycling

Der gezeigte Sitzhocker, bestehend aus EPP und optimiertem PP für den LAAM-Prozess, ist ausschließlich aus Polypropylen – ohne Klebstoffe oder andere Verbindungselemente – hergestellt. Das Produkt kann somit vollständig stofflich wiederverwertet werden. Demzufolge schafft der Großformatdruck mit PP neue Möglichkeiten, nachhaltige, recyclingfähige und gleichzeitig individuelle Produkte zu fertigen.

Literaturverzeichnis