Rapid.Tech (10. - 11. Juni 2015) Dr. Manfred Schmid inspire AG, irpd, CH-9014 St. Gallen manfred.schmid@inspire.ethz.ch Materialien für Selektives Lasersintern (SLS) - Quo Vadis - 20 Jahre SLS-Kommerzialisierung Polyamid 12 (PA12) und Polyamid 11 (PA11) und einige Blends Ist die Performance der vorliegenden Werkstoffe ausreichend? Ist die Herstellung neuer SLS-Werkstoffe zu kompliziert? Sind die SLS-Prozessbedingungen zu komplex? Ist das Geschäftsvolumen zu gering, für Neuentwicklungen? Sind die Maschinen nicht in der Lage andere Werkstoffe zu verarbeiten? Warum setzen sich SLS-Exoten wie TPU, PA6, PP nur schwer durch? Was wären weitere aussichtsreiche Kandidaten? Materialien mit hoher Bruchdehnung und/oder Schlagzähigkeit? 1
SLS-Pulver Markt - Hersteller - Verteilung - Kunstoffmarkt SLS-Pulver- Produzenten : 3D-Systems (USA) EOS (D) Arkema (F) ALM (USA) ExcelTec (F) Windform (I) Aspect (J) Farsoon (CN) Exoten: Solvay, L&V, Diamond, Rowak 2
Hersteller / Compoundeure Werkstoffe insgesamt PA12 ungefüllt Materiallieferanten mit breitem SLS-Materialportfolio PA12 gefüllt PA11 ungefüllt PA11 gefüllt 3D-Systems (USA) 9 2 2 2 1 2 EOS (D) 19 9 5 2 3 Arkema (F) 3 1 2 ALM (USA) 32 3 15 4 6 4 ExcelTec (F) 5 1 1 2 1 Windform (I) 5 3 2 Materiallieferanten mit SLS-Spezialprodukten Solvay (NL) 1 1 Lehmann & Voss (D) 1 1 Diamond Plastics (D) 2 2 ROWAK (CH) 1 1 SLS-Materialien aktuell in Europa nicht verfügbar Farsoon (CN) 4 1 3 Aspect (J) 10 2 3 1 4 andere Polyamid 12 (PA12) und Polyamid 11 (PA11) und einige Blends PA12 gefüllt 39% Materialverteilung nach Sektoren PA11 ungefüllt 9% PA11 gefüllt 17% TPE 6% PA12 ungefüllt 20% Andere 15% PU 3% PA6 2% PP 2% PE 1% PEEK 1% Materialverbrauch (geschätzt) PA11 PA12 gef. 10% Andere PA12 ungefüllt 85% PA12 95% 3
Ist das Geschäftvolumen zu gering, für Neuentwicklungen? 280 1 500 total: Polymer (Global) vs. SLS = 200 000 : 1 PA: PA12 (Global) vs. SLS = 1 500 : 1 Woher kommen die PA12 Grundwerkstoffe? Beschichtungspulver für Wirbelsinterverfahren 4
Markt situation: the commercial PA 12 materials Evonik (Vestosint ) Arkema (Orgasol ) EOS (D) PA2200/2001 PA 2200 3D Systems (USA) Duraform PA DuraForm PA Arkema (F) Orgasol Invent Smooth Orgasol Invent Smooth µm µm µm 100 µm 100 µm 100 µm Markt situation: the commercial PA 12 materials ^exo 1 st heating run melting 20 mw Orgasol DF-PA PA 2200 cooling run 2 nd heating run crystallisation 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 C INSPIRE, irpd: Thermoanalyse METTLER TOLEDO STAR e System 5
[A] Evonik [A] neat material [B] confectioner [C] available mixtures Arkema EOS (D) Direct sales 3D Systems (USA) Direct sales Arkema (F) Direct sales PA12/11 [B] ALM (EOS) Direct sales WindForm Direct sales ExcelTec (F) Direct sales PA 12: Duraform PA, PA 2200 Orgasol IS [C] dry blends! PA 12 MF filled PA 12 Al filled Rilsan Invent PA 12 CF filled PA 12 GB filled PA 11 GB filled SLS-PA12-Teile Performance - allgemeine Eigenschaften - Richtungsabhängigkeit - verstärkte Werkstoffe 6
VDI Ringversuch zur SLS-Performance (2011) nicht proportional zur Teiledichte! Vergleich: Spritzguss(SG) PA12 vs. SLS PA12 Probe PA12- Spritzgusstypen (MPa) max. Zugfestigkeit Bruchdehnung (MPa) EaB in % Grilamid L16 natur (PA12 niedrigviskos); EMS-Chemie VESTAMID L1670 (PA12 niedrigviskos)*; EVONIK 1500 45 > 50 1400 46 > 50 PA12-SLS-Typen Orgasol Invent Smooth 1800 45 20 (Sprödbruch) Duraform PA (PA12 SLS) 1586 43 14 (Sprödbruch) PA 2200 (PA12 SLS) 1650 48 18 (Sprödbruch) SLS > SG SLS = SG SLS << SG warum? 7
Kristallinität Kristallitgrösse Einfluss der Sphärolithgrösse bei gleicher Kristallinität Zunehmende Sphärolithgrösse Streckspannung Zugfestigkeit Bruchdehnung Schlagzähigkeit Die hohe Porosität der SLS-Teile bestimmt das Bruchverhalten Die Kristallinität /Kristallitgrösse bestimmt denn 8
SLS-PA12-Teile Performance - Richtungsabhängigkeit - verstärkte Werkstoffe Probe PA 2200 (PA12 SLS) Baurichtung (Mpa) max. Zugfestigkeit (Mpa) XYZ 1650 48 18 ZYX 1650 42 4 Bruchdehnung EaB (%) Versagen durch mangelnde Schichthaftung 9
Werkstoffblends auf Basis PA Name Zuschlagstoff (XYZ) (ZYX) Bruchdehnung (XYZ) Bruchdehnung (ZYX) EOS (D) Basis Werkstoff PA12 CarbonMide Kohlefasern 6100 2200 4,1 1,3 PA 3200 GF Glaskugeln 3200 2500 9 5,5 3D-Systems (USA) Basis Werkstoff PA12 Duraform HST Mineralfasern 5725 3000 4,5 2,7 ALM (USA) Basis Werkstoff PA12 PA-615 GS Glaskugeln 4100 2137 1,6 --- ALM (USA) Basis Werkstoff PA11 PA 802-CF Kohlefasern 8211 1453 8 4 Trockenmischungen von Basispulver und Zuschlagstoff keinerlei Verstärkung in Z-Richtung starker Einbruch der Eigenschaften in Z-Richtung? Pulverdichte und intrinsische Restporosität von PA12-Werkstoffen Von PA12 / PA 11 ist keine Verbesserung in? zu erwarten 10
SLS-Pulver Neue Werkstoffe Teilkristalline «SLS-Exoten» Name Polymer Füllstoff Mechanische Eigenschaften SLS- Werkstoffe (nach Datenblatt) in XYZ-Richtung gebaut (MPa) Zugfestigkeit (MPa) Bruchdehnung % SLS-Werkstoffe der Firma EOS (D) EOS PEEK HP3 PEEK kein Füllstoff 4400 95 2.8 SLS-Werkstoffe der Firma ALM (USA) PA 703 CF PA 6 C-Fasern 6398 53 2 SLS-Werkstoffe der Firma Solvay (NL) Sinterline PA6 kein Füllstoff 3360 77 3.4 SLS-Werkstoffe der Firma Lehmann & Voss (D) Desmosint X92-A1 TPU kein Füllstoff 9 27 400 SLS-Werkstoffe der Firma Diamond Plastics (D) Laser HDPE HX 17 grau HD-PE kein Füllstoff 2000 21 5.5 Laser PP CP 22 weiss PP kein Füllstoff 2500 25 8 SLS-Werkstoffe der Firma Aspect (J) Asphia-PP Co-PP kein Füllstoff 907 21.4 529 11
Warum setzen sich SLS-Exoten wie TPU, PA6, PP nur schwer durch? Teilkristalline «SLS-Exoten» PA6 PEEK PA6 PP PE? Co-PP TPU Maschinen für die Verarbeitung von PA12 eingestellt! Anforderungsprofil an neue SLS-Werkstoffe Ist die Herstellung neuer SLS-Werkstoffe zu kompliziert? 12
SLS-Materials: icopp icopp polypropylene (PP) for Selective Laser Sintering! outstanding impact and chemical resistance sterilisable (medical) sealability with other PP-parts authorized by: Spezial Pulver designed für Kometik Industrie: > 150 /kg! Besuchen Sie uns am Stand 2-108! 1. Einführung 1.1 Fertigungstechnik 1.2 Additive Fertigung 2. SLS-Technologie 2.1 Maschinentechnologie 2.2 Maschinenmarkt 3. SLS-Prozess 3.1 Prozesskette 3.2 Qualitätssicherung 4. SLS-Werkstoffe: Polymereigenschaften 4.1 Polymere 4.2 Schlüsseleigenschaften von SLS-Polymeren 5. SLS-Werkstoffe: Polymerpulver 5.1 Herstellung der SLS-Pulver 5.2 Bewertung des Pulverzustand 6. SLS-Werkstoffe: Kommerzielle Materialien 6.1 Polyamide ( Nylon ) 6.2 Weitere SLS-Polymere 7. SLS-Bauteile 7.1 Bauteileigenschaften 7.2 Anwendungen und Beispiele Anhang: Werkstofftabelle 13