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Modifizierung technischer Kunststoffe für den 3D-Druck

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3D-Innovation

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die 3D-Drucktechnologie ist eine innovative Verarbeitungstechnologie, die sich in den letzten Jahren entwickelt hat und mit der digitale Modelle in physische Objekte umgewandelt werden können, was ein breites Anwendungsspektrum eröffnet. Derzeit werden in der 3D-Drucktechnik hauptsächlich polymere Werkstoffe verwendet, die sich leicht verarbeiten lassen. Die mechanischen Eigenschaften der Produkte sind jedoch schlecht, so dass sie für Bereiche mit hohen Anforderungen an die Festigkeit und Steifigkeit (z. B. Automobilbau, medizinische Geräte und Haushaltsgeräte) ungeeignet sind.

3D-Druck-Technologie

Derzeit lassen sich die für technische Kunststoffe geeigneten 3D-Druckverfahren in vier Typen unterteilen: FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithographie), SLS (Selective Laser Sintering) und LOM (Laminated Object Manufacturing), wobei FDM die am weitesten verbreitete Technologie ist.

Einführung in die FDM-Technologie

Der FDM-Formprozess besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen: dem Extrusionsprozess und dem Depositionsprozess, d. h., thermoplastische Polymere werden unter Hitze und Druck durch die Düse extrudiert, während sich die Düse entlang der festgelegten Bahn bewegt, um zweidimensionale Schichten Schicht für Schicht aufzutragen. Die FDM-Technologie hat aufgrund ihrer Vorteile wie niedrige Kosten, einfache Bedienung, breites Spektrum an verwendbaren Materialien und hohe Materialausnutzung große Aufmerksamkeit erregt, wobei die Forschung verschiedene Bereiche wie Medizin, Luft- und Raumfahrt und Bildung abdeckt.

Entwicklung der FDM-Technologie

Mit der Entwicklung und Verbreitung der 3D-Drucktechnologie wird die FDM-Technologie unweigerlich in immer mehr Bereichen Anwendung finden. Die FDM-Technologie kann sich nicht nur an die komplexen Strukturen und Formen von Flugzeugen anpassen und deren Leistung und Sicherheit verbessern, sondern auch die Herstellungszeiten verkürzen und die Kosten senken. Die heimische FDM-Technologie und -Ausrüstung muss jedoch noch die Druckgenauigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit weiter verbessern, um den hohen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt gerecht zu werden.

Technologie zur Modifizierung technischer Kunststoffe

Technische Kunststoffe haben hervorragende Eigenschaften, aber es gibt erhebliche Unterschiede zwischen den Materialeigenschaften technischer Kunststoffe und der Verarbeitungstechnologie des 3D-Drucks, die vor allem die folgenden Aspekte umfassen:

1, Schlechte Fließfähigkeit des Materials führt zu Instabilität und Diskontinuität im Druckprozess, was die Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit der Produkte beeinträchtigt.

2, Die niedrige thermische Zersetzungstemperatur des Materials beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften und die Haltbarkeit des Materials bei hohen Drucktemperaturen.

3, Die niedrige Materialfestigkeit schränkt die Belastbarkeit und Stoßfestigkeit der Produkte ein und beeinträchtigt ihre Sicherheit und Zuverlässigkeit.

4. Die ungleichmäßige Abkühlung des Materials führt zu inneren Spannungen und Verformungen der Produkte, was die geometrische Stabilität und Maßhaltigkeit der Produkte beeinträchtigt. Gleichzeitig sind die Leistungsanforderungen an technische Kunststoffe oft höher als die von normalen Kunststoffen. Um die Probleme technischer Kunststoffe im 3D-Druck zu lösen, müssen sie daher so modifiziert werden, dass sie sich an die Verarbeitungsbedingungen des 3D-Drucks anpassen und die Leistungsanforderungen an die Produkte erfüllen.

Zu den gängigen Technologien zur Modifizierung von technischen Kunststoffen gehören hauptsächlich die folgenden vier Arten:

1, Zugabe von Gleitmitteln, anorganischen Füllstoffen, pulverförmigen Oberflächenbeschichtungen und anderen Stoffen zur Verbesserung der Fließfähigkeit und Verarbeitbarkeit von technischen Kunststoffen.

2, Zugabe von Verstärkungsmaterialien wie Glasfasern, Metallfasern und Holzfasern zur Verbesserung der Steifigkeit und Festigkeit von technischen Kunststoffen, so dass sie für eine verbesserte Modifikation unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen des 3D-Drucks geeignet sind.

3, Beschleunigung der Erstarrungsgeschwindigkeit von technischen Kunststoffen und Verringerung der Eigenspannung durch den Einsatz geeigneter Keimbildner und Verbundstoffe mit unterschiedlichen Wärmekapazitäten für eine schnelle Erstarrungsmodifikation.

4, Ausstattung der Kunststoffe mit einigen speziellen Funktionen (wie Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Selbstreparatur, Biokompatibilität usw.), um den Anwendungsbereich und das Potenzial technischer Kunststoffe im Bereich der 3D-Druckherstellung zu erweitern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Technologie zur Modifizierung von technischen Kunststoffen die Leistung von technischen Kunststoffen verbessern, ihren Anwendungsbereich erweitern, mehr Auswahlmöglichkeiten und Innovationen für den 3D-Druck bieten und das Anwendungspotenzial des 3D-Drucks in weiteren Bereichen ausbauen kann.

Allgemeine Modifikation technischer Kunststoffe für den 3D-Druck

ABS Modifikation

ABS ist ein häufig verwendetes thermoplastisches Polymermaterial mit Vorteilen wie hoher Festigkeit, guter Zähigkeit und einfacher Verarbeitung. Um die Leistung von ABS weiter zu verbessern, muss es oft modifiziert werden.

Glasfasern sind ein häufig verwendetes Verstärkungsmaterial, das die Festigkeit, Härte und Haltbarkeit von ABS verbessern kann. Beim 3D-Druck von Automobilteilen zeigen glasfaserverstärkte ABS-Verbundwerkstoffe eine hervorragende Leistung und ermöglichen die Herstellung von Teilen, die robuster und haltbarer sind.

Organomontmorillonit (OMMT) ist ein wirksamer ABS-Modifikator, der die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Materials erheblich verbessern kann. Mit OMMT hergestellte ABS/OMMT-Nanoverbundstoffe weisen einen höheren Zugmodul, eine höhere Biegefestigkeit, einen höheren Biegemodul und einen höheren Energiespeichermodul auf, während die lineare Wärmeausdehnung und der thermische Gewichtsverlust deutlich reduziert werden.

ABS-Kunststoff hat nicht nur eine gute Verformungsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, sondern auch eine hohe Wärmebeständigkeit. Bei Hochtemperaturdruckverfahren kann es jedoch immer noch zu einer verminderten Fließfähigkeit kommen, was zu einer schlechten Qualität der gedruckten Teile führt. Materialien wie Talkum- und Glimmerpulver haben eine hohe Fließfähigkeit und können, wenn sie als Additive zur Modifizierung von ABS verwendet werden, dessen Schmelzviskosität und thermische Belastung wirksam verringern und seine rheologischen Eigenschaften verbessern, wodurch die Fließfähigkeit während des Druckprozesses und die Qualität der gedruckten Teile verbessert werden. Darüber hinaus können Talkum- und Glimmerpulver die Steifigkeit und Wärmebeständigkeit von ABS weiter erhöhen und so seine Stabilität in Hochtemperaturumgebungen verbessern.

Derzeit hat ein chinesisches Unternehmen ABS/Nano-TiO2-Verbundwerkstoffe entwickelt. Nach dem 3D-Druck behält dieser Verbundwerkstoff nicht nur die Stabilität der wichtigsten Leistungsparameter von ABS bei, sondern erhöht auch die mechanischen Eigenschaften von ABS und zeigt eine bessere Festigkeit und Zähigkeit.

Die oben genannten Änderungen eröffnen breitere Perspektiven für die Anwendung von ABS und bieten eine bessere Materialauswahl für den 3D-Druck in verschiedenen Bereichen.

PA Modifikation

Polyamid (PA) ist ein technischer Hochleistungskunststoff, der aufgrund seiner Vorteile wie hohe Festigkeit, gute Flexibilität, hohe Wärmeformbeständigkeit und geringe Schrumpfung im täglichen Leben weit verbreitet ist. Im Vergleich zu ABS hat PA eine bessere Zähigkeit und eine höhere Schlagzähigkeit, und seine Anwendung im 3D-Druck wird zunehmend geschätzt.

Darüber hinaus können die mechanischen Eigenschaften von PA durch Modifikation verbessert werden, wodurch sich sein Anwendungsbereich weiter vergrößert. Zhang Zhengyi et al. stellten PA12/MWCNT-Verbundwerkstoffe in Pulverform durch Festphasen-Scherfräsen her, was zu einer deutlich verbesserten Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit führte.

PEEK Modifikation

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein Hochleistungspolymer mit hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften wie hoher Temperaturbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Dimensionsstabilität, elektrischer Isolierung und Biokompatibilität. Es hat ein enormes Potenzial und einen hohen Forschungswert für die 3D-Drucktechnologie, insbesondere in High-End-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizin.

PEEK-Material kann zur Herstellung komplexer struktureller und funktioneller Komponenten verwendet werden. Mit den kontinuierlichen Fortschritten und Innovationen in der 3D-Drucktechnologie hat die Anwendung von PEEK-Material im 3D-Druck vielfältige und umfassende Entwicklungstendenzen gezeigt. Die Europäische Weltraumorganisation verwendete PEEK-Material für den 3D-Druck von Komponenten für Kleinsatelliten.

Obwohl PEEK über hervorragende physikalische und chemische Eigenschaften verfügt, ist es aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und seiner Viskosität mit herkömmlichen 3D-Druckern nur schwer zu drucken. Aus diesem Grund schlug Dai Jing ein neues 3D-Druckverfahren vor, das den Schmelzprozess von technischen Kunststoffen durch Erhöhung des positiven Temperaturkoeffizienten und der Wärmestrahlungslampen sowie durch Optimierung der Druckparameter beschleunigt. Die Ergebnisse zeigten, dass mit dem neuen Verfahren PEEK-Material gedruckt werden kann und dass die Vorschubgeschwindigkeit die Füllrate des Produkts erheblich beeinflusst. Diese Forschung bietet eine praktikable Lösung für die Verwendung spezieller technischer Kunststoffe in der 3D-Drucktechnologie und fördert die breitere Anwendung von technischen Kunststoffen im Bereich des 3D-Drucks.

Schlussfolgerung

Die Erforschung und Entwicklung der Technologie zur Modifizierung technischer Kunststoffe für den 3D-Druck sind von großer Bedeutung. Durch die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, der Wärmebeständigkeit, der Korrosionsbeständigkeit und der Leitfähigkeit von Materialien kann die Anwendung der 3D-Drucktechnologie in verschiedenen Bereichen erweitert und die Funktionalität und Qualität von 3D-Druckprodukten verbessert werden. Es gibt jedoch noch einige Probleme und Herausforderungen bei der 3D-Drucktechnologie zur Modifizierung von Kunststoffen, wie z. B. instabile Modifizierungseffekte, unklare Modifizierungsmechanismen und hohe Modifizierungskosten, die weitere Forschung und Erforschung erfordern.