Nylon (auch bekannt als Polyamid PA) ist ein starker technischer Kunststoff und ein weit verbreitetes Polymer in der additiven Fertigung, das für seine Beständigkeit gegen Hitze, Abrieb, Reibung und Chemikalien bekannt ist. Die teilkristalline Mikrostruktur von Nylon bietet ein hervorragendes Verhältnis von Steifigkeit zu Flexibilität und kann mit anderen Materialien kombiniert oder verbessert werden, um seine Leistung und Eigenschaften zu verbessern. 3D-gedruckte Nylonteile können in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, von Textilien über medizinische Prothetik bis hin zu Teilen für die Luft- und Raumfahrt.
Kunststoffbälle erschien erstmals 1935 als Nylon 6.6. Es wurde von Wallace Carothers entwickelt, der später bei DuPont arbeitete. Das erste Nylonmaterial wurde 1937 patentiert und 1938 kommerzialisiert und ist bis heute eines der am häufigsten verwendeten Kunststoffmaterialien. Nylon wird aufgrund seiner Flexibilität und Haltbarkeit hauptsächlich in der Textilindustrie verwendet. Es wurde erstmals 1940 zur Herstellung von Damenstrümpfen verwendet. Eine der interessantesten Eigenschaften dieses Materials, auch im 3D-Druck, ist seine Flexibilität. Nylon 6 hingegen wurde ursprünglich von Paul Schlack im IG-Farben-Labor hergestellt und 1941 patentiert. Alle anderen Formen von Nylon kamen später hinzu.
Zusätzlich zu den bereits genannten gibt es zwei Arten von Nylon, die in der Industrie weit verbreitet sind: PA11 und PA12. Interessanterweise unterscheiden sie sich nicht nur durch ein einziges Kohlenstoffatom, sondern haben auch sehr unterschiedliche Ursprünge. PA11 wird aus Rizinusöl, einem natürlichen, erneuerbaren Rohstoff, hergestellt, während PA12 aus Erdöl hergestellt wird. Es gibt viele Debatten über die Herkunft von Nylon und seine Auswirkungen auf die Umwelt. Falls verfügbar, würden Benutzer PA11 aufgrund seiner guten Eigenschaften für Gegenstände, die mit der Haut in Berührung kommen, gegenüber PA12 bevorzugen. Allerdings muss man sagen, dass auch PA11 nicht völlig umweltfreundlich ist, da es normalerweise nirgendwo recycelt werden kann und daher wie andere Kunststoffarten weggeworfen wird. Beim 3D-Druck ist zu beachten, dass Nylon in Pulverform für mehrere Drucke wiederverwendet werden kann. Insbesondere das HP Multi Jet Fusion-Verfahren verwendet bekanntermaßen Polyamide wie PA12 und PA11 und weist im Vergleich zur SLS-Technologie eine höhere Nutzungsrate auf.
Vorteil
- zäh und teilweise flexibel
- hohe Schlagfestigkeit
- Kein unangenehmer Geruch beim Drucken
- Gute Verschleißfestigkeit
Mangel
- Leicht zu verziehen
- Luftdichte Lagerung erforderlich, um Wasseraufnahme zu verhindern
- Unsachgemäßes Trocknen der Verbrauchsmaterialien kann zu Druckfehlern führen
- Nicht für feuchte Umgebungen geeignet
Warum Nylon als 3D-Druckmaterial verwenden?
Nylon ist ideal für Prototypen und Funktionsteile wie Zahnräder und Werkzeuge und kann zur Erhöhung der Festigkeit mit Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkt werden, was zu leichten Teilen mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften führt. Allerdings ist Nylon im Vergleich zu ABS nicht besonders steif. Wenn Ihr Teil daher Steifigkeit erfordert, müssen Sie darüber nachdenken, zusätzliches Material zur Verstärkung Ihres Teils zu verwenden.
Nylon hat ein hohes Verhältnis von Steifigkeit zu Flexibilität. Das bedeutet, dass Ihr Teil beim Drucken dünner Wände flexibel und beim Drucken dicker Wände steif ist. Dies ist ideal für die Herstellung von Bauteilen wie Scharnieren mit starren Teilen und flexiblen Gelenken.
Da mit Nylon bedruckte Teile in der Regel eine gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, ist weniger Nachbearbeitung erforderlich.
Kombiniert mit Pulverbetttechnologien wie SLS und Multi Jet Fusion, Nylon 3D Druck können zur Herstellung beweglicher und ineinandergreifender Teile verwendet werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einzeln gedruckte Komponenten zusammenzubauen, und hochkomplexe Objekte können deutlich schneller hergestellt werden.
3D-gedrucktes Nylonmaterial
Nylon ist in Pulver- oder Filamentform erhältlich und eignet sich für 3D-Drucktechnologien wie SLS, Multi Jet Fusion oder FDM. Nylon wird nach seiner chemischen Zusammensetzung klassifiziert, insbesondere nach der Anzahl der darin enthaltenen Kohlenstoffatome – die bekanntesten auf dem 3D-Druckmarkt sind zweifellos PA12 und PA11 sowie PA6 für FDM. Nylonfilamente erfordern normalerweise Extrusionstemperaturen von etwa 250 °C. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung ermöglichen bestimmte Nylonmarken jedoch den 3D-Druck bei Temperaturen von nur 220 °C. Viele 3D-Drucker enthalten keine Hotends, die sicher 250 °C erreichen können, daher können diese Versionen mit niedrigeren Temperaturen nützlich sein und es ist möglicherweise nicht notwendig, das Hotend aufzurüsten. Eine große Herausforderung bei Nylonfilamenten besteht darin, dass sie hygroskopisch sind, was bedeutet, dass sie leicht Feuchtigkeit aus ihrer Umgebung aufnehmen. Nachdem das Nylon beim Drucken Feuchtigkeit absorbiert hat, führt dies zu Problemen mit der Druckqualität. Daher ist die Lagerung von Verbrauchsmaterialien sehr wichtig und erfordert besondere Aufmerksamkeit.
Bei pulverisiertem Nylon ist PA12 das am häufigsten verwendete Nylon. Es wird wegen seiner sehr hohen mechanischen und thermischen Eigenschaften geschätzt: Es ist sehr hart, fest auch bei sehr niedrigen Temperaturen, spannungsbeständig und hat einen geringen Feuchtigkeitsgehalt. Darüber hinaus lässt es sich leicht nachbearbeiten (Lacke, Färbemittel etc.). PA11 ist auch in Pulverform erhältlich und weist viele der gleichen Eigenschaften wie PA12 auf, weist jedoch einige wichtige Unterschiede auf. Es weist eine gute thermische Stabilität, Lichtbeständigkeit und UV-Beständigkeit sowie eine gute Elastizität auf. Mit PA11 gedruckte Teile sind außerdem langlebiger, was es zu einem idealen Material für die Herstellung funktionsfähiger Prototypen oder endgültiger Teile mit wichtigen mechanischen Eigenschaften macht. Es ist jedoch zu beachten, dass PA11 mehr Wasser aufnimmt als PA12.
Anwendungen von Nylon im 3D-Druck
Aufgrund seiner Flexibilität und Festigkeit eignet sich Nylon ideal für Automobilteile, beispielsweise für die Herstellung von Teilen, die Reibung und Verformung widerstehen. Es wird auch zur Herstellung von Zahnrädern und Scharnieren sowie als Ersatz für einige Kunststoffe verwendet, die beim Spritzgießen verwendet werden. Außerdem ist es biokompatibel, was bedeutet, dass es zur Herstellung von Prothesen und anderen Teilen verwendet werden kann, die mit der Haut in Kontakt kommen. Nylonteile können auch in Flugzeugen verwendet werden: Beispielsweise stellte das amerikanische Unternehmen Metro Aerospace kürzlich 3D-gedruckte Mikroblätter aus glasfaserverstärktem Nylon vor, die den Luftwiderstand reduzieren sollen. Mit diesem 3D-Druckverfahren konnte Metro Aerospace die Konsistenz seiner flugtauglichen Komponenten sicherstellen und so die FAA-Genehmigung einfacher erhalten. . Für ein noch attraktiveres Aussehen lässt es sich auch leicht lackieren.
Verbundwerkstoffe auf Nylon- und Polyamidbasis eignen sich am besten für den Einsatz mit Pulverbett-3D-Drucktechniken wie selektivem Lasersintern (SLS) und Multi-Jet-Fusion (MJF), und es gibt viele verschiedene Typen auf dem Markt. Das Nylonmaterial ist auch in Filamentform für den Einsatz in FDM-3D-Druckern erhältlich. Allerdings kann die Verwendung von Nylonfilamenten im FDM aufgrund hoher Drucktemperaturen und Verzugsproblemen schwieriger sein.
SLS
Im SLS-Druckverfahren werden häufig Nylonpulver verwendet, wobei Polyamid 11 (PA11) und Polyamid 12 (PA12) die beiden am häufigsten verwendeten Polyamide sind. PA11 verfügt über eine hervorragende UV- und Schlagfestigkeit, während PA12 eine höhere Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Darüber hinaus gibt es verschiedene Verbundwerkstoffe wie glas-, kohlefaser- und aluminiumverstärkte Polyamide, die höhere mechanische Eigenschaften bieten können. Derzeit ist SLS die zuverlässigste Technologie für den Nylon-3D-Druck, obwohl die Multi Jet Fusion-Technologie höhere Geschwindigkeiten und eine bessere Maßgenauigkeit bietet.
Multi-Jet-Fusion
Die Multi Jet Fusion-Technologie von HP unterstützt eine Reihe von Nylon-3D-Druckmaterialien, nämlich PA11, PA12 und HP 3D High Reusability PA 12 Glasperlen (40 % mit Glasperlen gefülltes Polyamidmaterial). Das Nylonpulver von MJF ist in hohem Maße wiederverwendbar, da überschüssiges Pulver (bis zu 70 %) recycelt und dem Druckprozess wieder zugeführt werden kann, ohne die mechanischen Eigenschaften des Teils zu beeinträchtigen.
Fused Deposition Modeling
Während FDM zum 3D-Drucken von Nylon verwendet werden kann, erfordert Nylon höhere Drucktemperaturen, als viele FDM-Extruder verarbeiten können. Im Vergleich zu SLS und MJF sind FDM-Nylonfilamente in industriellen Anwendungen nicht weit verbreitet, es gibt jedoch immer noch mehrere FDM-3D-Drucker auf dem Markt, die für diesen Anwendungsfall optimiert sind. Markforged bietet beispielsweise sein proprietäres Onyx-Material an. Onyx, ein Ylon- und Mikrokohlenstofffaser-Verbundwerkstoff, der robuste, hitzebeständige Teile für Endanwendungen herstellt, soll 1.4-mal stärker und steifer sein als ABS-Teile.
Vorsichtsmaßnahmen für den 3D-Druck von Nylonteilen
Mehrstrahlfusion
Die HP Multi Jet Fusion (MJF)-Technologie druckt schnell, erfasst komplexere Details in Designs und liefert eine hohe Maßgenauigkeit. Während dieses Vorgangs verteilt der MJF-Drucker eine Pulverschicht auf der Bauplattform. Anschließend wird auf jede neue Pulverschicht ein chemisches Flussmittel gesprüht, damit das Pulver die Energie des Infrarotlichts des Druckers absorbiert und das endgültige Teil bildet.
Für den 3D-Druck von Nylon mit MJF gibt es mehrere wichtige Überlegungen:
- Sie müssen das Teil mit einer Wandstärke von mindestens 1 mm konstruieren. Wenn Sie jedoch ein bewegliches Scharnier entwerfen, sollte die Mindestwandstärke 0.3 mm betragen.
- Die Mindestdicke der Wand und der Mindestabstand zwischen zwei Elementen (auch Kanalspalt genannt) sollten 0.762 mm betragen.
- Sie sollten in Ihr Design immer Fluchtlöcher einbauen, um Nylonpulver nach dem Drucken zu entfernen.
Wenn Sie Nylon für additive Pulverbett-Fertigungsprozesse verwenden, stellen Sie außerdem sicher, dass Ihr Design ausreichend Platz zwischen den Merkmalen bietet, und vermeiden Sie die Konstruktion großer oder flacher Teile. Wenn Sie dies nicht tun, neigt Ihr letztes Teil dazu, sich zu verziehen.
Fused Deposition Modeling
Während sich Nylon und Verbundwerkstoffe auf Nylonbasis am besten für additive Fertigungsverfahren wie MJF und selektives Lasersintern (SLS) eignen, können Sie Nylon auch mithilfe von Fused Deposition Modeling (FDM) in 3D drucken. Beim FDM werden Nylonfilamente geschmolzen und das geschmolzene Material durch eine Düse auf eine Plattform extrudiert. Anschließend wird das Teil Schicht für Schicht aufgebaut.
Beachten Sie beim 3D-Druck von Nylonfilamenten Folgendes:
- Im Gegensatz zu MJF müssen Sie möglicherweise Stützstrukturen in Ihr Design einbeziehen.
- Verformungen können minimiert werden, indem Sie die Plattform vorheizen, die Kühlventilatoren des Druckers ausschalten oder einen Drucker mit einer beheizten Kammer oder einem beheizten Gehäuse verwenden.
- Ihr Drucker muss über ein Ganzmetall-Hot-End verfügen, das Temperaturen über 250 °C standhält, und über ein Bett, das bis zu 65 °C heiß werden kann.
Darüber hinaus nimmt Nylon viel Feuchtigkeit aus der Luft auf, was zu schlechter Zwischenschichthaftung, rauen Oberflächen, mikroskopisch kleinen Löchern und Luftblasen führen kann. Um diese Probleme zu vermeiden, müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, um das Nylonmaterial frei von Feuchtigkeit zu halten.
3D-gedruckte Nylonteile von AN-Prototype
Wenn Sie diese Tipps und Designüberlegungen im Hinterkopf behalten, können Sie funktionelle 3D-gedruckte Nylonteile erstellen. Wenn Sie für Ihr nächstes 3D-Druckprojekt Nylon verwenden möchten, sollten Sie die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Hersteller in Betracht ziehen, um den Prozess zu vereinfachen und zu beschleunigen und die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen.
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