Polymere und Polyamid für den 3D-Druck

Polymere stellen einen wesentlichen Bausteine für die 3D-Drucktechnologie dar. Vor allem die synthetischen Polymere dienen Industrie und Hobby-Anwendern zur schichtweisen Verarbeitung zu einem fertigen Produkt. Diese Seite bieten Ihnen einen vollständigen Überblick über die unterschiedlichen Arten von Polymeren und ihre Einsatzbereiche beim 3D-Druck. Außerdem werden die Fragen geklärt, wo die Eingrenzung von Polymer zu Kunststoff liegt, was Polyamide sind und welche Eigenschaften Polymere, wie ABS, PLA, PETG und HIPS aufweisen und für welche Einsatzbereich sie sich eignen.

Kurz und knapp: Was ist ein Polymer?

Ein Polymer ist eine chemische Verbindung, die sich aus Ketten- oder verzweigten Makromolekülen zusammensetzt. Diese Verbindungen setzen sich aus einer großen Anzahl gleicher oder gleichartiger Einheiten zusammen, den sogenannten Monomeren. Zugleich sind Polymere auch Stoffe, deren Molekulargewichte ein ganzzahliges Verhältnis aufweisen und den gleichen inneren Aufbau besitzen. Die Bezeichnung Polymere selbst stammt übrigens aus dem Altgriechischen. Poly- steht hier für „Viel“ und „Meros“ für Teil. Die Makromoleküle können aus einer oder mehreren Struktureinheiten bestehen, die auch als konstitutionelle Repetiereinheiten bzw. als Wiederholeinheiten bezeichnet werden.

1. Verschiedene Gruppen von Polymeren

Man unterscheidet zwischen natürlichen und synthetischen Polymeren. Bei den natürlichen Polymeren (sogenannte Biopolymere) erfolgt eine Synthetisierung in Lebewesen. Gleichzeitig bilden sie die Grundbausteine von Organismen. Zu den natürlichen Polymeren gehören unter anderem Proteine, Polysacchariden und Nukleinsäuren.

Synthetische Polymere werden durch Polyreaktionen gewonnen und können sowohl industriell als auch im Labor hergestellt werden. Zu diesen Stoffen gehören beispielsweise Polyethylen, Polyvinylchlorid und Polystyrol. Durch die Weiterverarbeitung von Biopolymeren entstehen chemisch modifizierte Polymere, zu denen unter anderem Nitrocellulose, Stärkederivate und Celluloid gehören.

Für den 3D-Druck interessieren uns hauptsächlich die synthetischen bzw. chemisch modifizierten Polymere. Bei den synthetischen Polymeren handelt es sich meist um sogenannte Kunststoffe. Diese werden durch einen Verarbeitungsprozess erzeugt, bei dem der Rohstoff Polymer mit weiteren Stoffen versetzt und durch Wärme und/oder Druck als Formmasse zu einem plastischen Werkstoff weiterverarbeitet wird (siehe auch Extruder). Dieser Werkstoff wird als Kunststoff bezeichnet.

2. Unterteilung der Polymere

Die Polymere selbst werden in verschiedene Gruppen unterteilt. Ausschlaggebend ist dabei der Vernetzungsgrad der Makromoleküle. Hier unterscheidet man zwischen

  • Thermoplaste und thermoplastischen Elastomeren,
  • Elastomere und

Unter Umständen werden thermoplastische Elastomeren aufgrund ihres Verhaltens im Gebrauchstemperaturbereich auch als vierte Gruppe angesehen. Auf die Temperaturbeständigkeit der Polymere gehen wir später noch genauer ein.

Zugleich werden Polymere entsprechend der Zahl der Monomere unterteilt:

Von Homopolymeren spricht man, wenn das Polymer nur aus einer Monomereinheit besteht. Dazu gehören beispielsweise die Kunststoffe Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyamid (PA) und Polyvinylchlorid (PVC).

Als Copolymere werden Strukturen mit mindestens zwei Monomereinheiten bezeichnet. Dazu gehören unter anderem Acrylnitril-Butadien-Styren-Copolymerisate (ABS), Polyurethan (PUR), Polyester, Polyamid 66 (PA 66) und Ethylen-Propylen-Random-Copolymerisate.

Als Polymermischungen bzw. Polymerlegierungen/Polymerblends werden Mischungen aus verschiedenen Polymeren und Copolymeren angesehen. Beispielhaft seien hier PE/PP, PP/ERP und PA6/PA66 aufgeführt.

Ein weiteres Klassifizierungskriterium ist der Ordnungszustand der Polymere. Hier unterscheidet man zwischen amorphen (ungeordneten) und teilkristallinen (teilweise geordneten) Polymeren. Wer sich mit dem 3D-Druck etwas auskennt, wird spätestens bei der Bezeichnung ABS erfreut aufgehorcht haben, zählt dieser Kunststoff doch zu den beliebtesten 3D-Druck-Filamenten.

3. Die Herstellung der synthetischen Polymere

Damit aus dem Monomer ein Polymer wird, müssen sogenannte Bildungsreaktionen, die auch als Polyreaktionen bezeichnet werden, erfolgen. Hierbei werden die Doppelbindungen zwischen zwei C-Atomen aufgebrochen oder es läuft eine Ringspaltung ab. Je nach Art der chemischen Reaktion unterscheidet man zwischen diesen drei Klassen:

  • Kettenpolymersiation (Polymerisation),
  • Additionspolymerisation (Polyaddition) und
  • Kondensationspolymerisation (Polykondensation).

4. Vorschriften für die Bezeichnung von Kunststoffen respektive Polymeren

Für die Bezeichnung von Kunststoffen bzw. Polymeren gibt es einige DIN- und ISO-Vorschriften. Die DIN EN ISO 1043 führt beispielsweise Kennbuchstaben sowie Kurzzeichen für Polymere auf und definiert zugleich deren Eigenschaften. Für die Bezeichnung von Kautschuk und Latices werden entsprechend der DIN ISO 1629 Kurzzeichen vergeben. Für die Begriffsbestimmung bei Kunststoff-Formmassen ist wiederum die DIN 7708 ausschlaggebend.

Kurzübersicht der DIN/ISO-Regelungen:

  • DIN EN ISO 1043: Kunststoff-Kernbuchstaben und Kurzzeichen, davon beschreibt
    • Teil 1 (2016-09) die Basis-Polymere und deren besondere Eigenschaften,
    • Teil 2 (2012-03) die Füll- und Verstärkungsstoffe,
    • Teil 3 (2017-03) die Weichmacher und
    • Teil 4 (2016-09) die Flammschutzmittel.
  • DIN ISO 1629 (2015-03) die Einteilung und die Kurzzeichen für Kautschuk und Latices,
  • DIN 7724: Einteilung der Polymerwerkstoffe entsprechend des Temperaturverlaufs (Duroplaste, Elastomere, Thermoplaste und thermoplastische Elastomere),
  • DIN 7708-1 (1980-12) die Begriffe zu den Kunststoff-Formmassen. Diese Norm wurde aber mittlerweile zurückgezogen.

Nicht nur die Biologie und Chemie, sondern auch die Physik beschäftigt sich im Übrigen mit den Polymeren. Hier sind beispielsweise die mittlere Molmasse, die Molmassenverteilung, die Oberflächeneigenschaften von Polymeren, die Kristallisation, die Kristallisationskinetik, das Fließverhalten sowie die Viskosität (Rheologie) von Interesse.

5. Temperaturbeständigkeit der Polymere

Die Temperaturbeständigkeit der verschiedenen Polymere hängt von verschiedenen Kriterien ab. Dazu gehören unter anderem die Struktur der genutzten Monomere, aber auch der Stabilität der Verbindungen zwischen diesen. Ein weiteres Kriterium sind die Wechselwirkungen der Polymerketten untereinander. Ist eine hohe Wärmebeständigkeit gewünscht, so lässt sich dies durch eine Steigerung er Schmelzenthalpie und eine Verringerung der Schmelzentropie erreichen. Werden amorphe Polymere verwendet, so sollte hier die Glastemperatur möglichst hoch ausfallen. Bei teilkristallinen Polymeren sollte wiederum die Glas- sowie die Schmelztemperatur sehr noch sein. Um eine bessere Temperaturbeständigkeit zu erreichen, können die sogenannten C-H-Bindungen sowie die C-C-Bindungen durch Bindungen ersetzt werden, die Kohlenstoff und Heteroatome enthalten, oder aber durch stabilere aromatische Bindungen. Zu den Heteraoatomen gehören unter anderem Fluor, Sauerstoff und Stickstoff. Des Weiteren können Polymere mit zwei parallelen Hauptketten, die miteinander verbunden sind, aufgebaut werden. Diese Hauptketten bezeichnet man auch als Leiterpolymere.

6. Verschiedene Arten der Polymere im Überblick

Zu den synthetischen Polymeren gehören unter anderem

  • Polylactide (PLA),
  • Polyethylen (PE),
  • Polyvinylchlorid (PVC),
  • Polypropylen (PP),
  • Polystyrol (PS) – im geschäumten Zustand vielen besser bekannt als Styropor,
  • Polytetrafluorethylen (PTFE) – in vielen Haushalten als Teflon zu finden -,
  • Polymethylmethacrylat (PMMA) – bekannt unter der Bezeichnung Plexiglas und Acrylglas,
  • Polyacrylamid (PAA),
  • Polyacrylnitril (PAN),
  • die Gruppe der Polyamide, zu denen unter anderem PA6.6 (Nylon), PA6 (Perlon) und PA12 (Lauramid) gehören,
  • Aramide,
  • Polykethone, zu denen unter anderem die Polyetherketone (PEK) gehören,
  • Polyethylenterephthalat (PET) – unter anderem von den Einwegflaschen (PET-Flaschen) bekannt,
  • Polycarbonate (PC),
  • Polyethylenglycol (PEG),
  • Polyurtethane (PU),
  • Polysiloxane/Polyorganosiloxane (Silikone) und
  • Melaminharz (MF), das aus Melamin und Formaldehyd hergestellt wird.

Sowohl PLA,PMMA, PETG und  verschiedene Polyamide – auf die wir gleich noch genauer eingehen – gehören zu den synthetischen Polymeren, aus denen Filamente für den 3D-Druck hergestellt werden.

Neben den synthetischen Polymeren gibt es auch noch die Biopolymere. Zu diesen gehören beispielsweise

  • Proteine (u.a. Enzyme, Haare),
  • die Erbsubstanz DNS,
  • RNS,
  • Kohlenhydrate (Zellulose, Stärke, Holz, Papier) und

7. Die Gruppe der Polyamide

Polyamide lassen sich nach verschiedenen Verfahren einordnen. So ist eine Einordnung beispielsweise nach der Art der Monomere möglich. Hier unterscheidet man zwischen aliphatischen, teilaromatischen und aromatischen Polyamiden.

Zugleich ist auch eine Zuordnung nach der Monomerzusammensetzung möglich. Hier gilt es wieder zwischen Homopolyamiden und Copolyamiden zu unterscheiden. Zu den Homopolyamiden gehören beispielsweise PA6 und PA6.6). Ansonsten wird hier ähnlich verfahren wie bei den Homopolymeren und den Copolymeren.

Eine Einordnung ist aber auch nach der Art es Erstarrungs- bzw. Erweichungsverhaltens möglich. Teilkristalline Polyamide bilden beispielsweise beim Abkühlen nach der Schmelze kristalline Domänen. Dabei erstarrt allerdings nicht das gesamte Material, sondern es bilden sich zugleich amorphe Domänen. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Domänen hängt von der chemischen Zusammensetzung des Polyamids und selbstverständlich auch den Abkühlungsbedingungen ab. Zu den leicht kristallisierenden Polyamiden gehört beispielsweise PA 6.6.

Amorphe Polyamide hingegen erstarren nah der Schmelze glasartig. Sie enthalten Monomereinheiten, welche eine kristalline Anordnung der Ketten verhindern.

7.1 Eigenschaften der Polyamide

Bei vielen Polyamiden, die im technischen Bereich eingesetzt werden, handelt es sich um teilkristalline thermoplastische Polymere. Diese zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Steifigkeit aus. Zugleich sind sie in der Regel chemikalienbeständig und lassen sich gut verarbeiten. Die genauen Eigenschaften eines Polyamids hängen unter anderem von dessen kristallinem Gefüge, hauptsächlich aber auch vom Wassergehalt ab. Zu den thermoplastischen Polyamiden gehört beispielsweise das 3D-Druck Filament HIPS.

Kompakte Polyamide zeichnen sich durch gute Gleiteigenschaften und einen hohen Verschleißwiderstand aus. Die mechanischen Eigenschaften lassen sich durch Faserverbunde sogar noch verbessern, wenn diese Glas- oder Kohlenstofffasern enthalten. Dadurch lassen sich sowohl die Festigkeit als auch die Schlagzähigkeit für den jeweiligen Anwendungsfall abstimmen. Allerdings steigt durch die Zugabe von Fasern die Hydrolyseempfindlichkeit.

7.2 Wie lassen sich Polyamide erkennen?

Die Erkennung von Polyamiden gestaltet sich recht einfach. Am Besten und einfachsten ist dies durch eine Brennprobe möglich. Natürlich sollten Sie diese nicht im Beisein von kleineren Kindern durchführen. Zünden sie einen kleinen Abschnitt des Kunststoffteils an. Entsteht eine blaue Flamme, die einen gelblichen Rand aufweist, schäumt das Material etwas und bildet einen braunschwarzen Rand, so handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um ein Polyamid. Wird die Flamme ausgepustet, entsteht ein hornartiger Geruch. Im Übrigen lassen sich Polyamide mit Ameisensäure lösen und auch wieder kleben.

8. Verwendungsmöglichkeiten der Polymere bzw. Polyamide

Polymere sind in vielen Bereichen einsetzbar. Wir möchten uns hier einmal auf die Gruppe der Polyamiden beschränken. Mit diesen können beispielsweise unzerbrechliche Haushaltsgegenstände hergestellt werden, die abriebfest sein müssen. Dazu gehören unter anderem Gleitlager, Dübel und Schrauben. Zugleich werden sie in der Elektrotechnik, bei der Herstellung von Kabelbindern, Küchenutensilien wie Kellen und Löffel, für verschiedene Maschinenteile und sogar für die Borsten von Zahnbürsten verwendet.

Die sie eine gute Beständigkeit gegen Schmier- und Kraftstoffe aufweisen, auch wenn die Betriebstemperaturen 150 Grad Celsius überschreiten, kommen Polymere bzw. Polyamide auch im Fahrzeugbau zum Einsatz. Hier werden beispielsweise Kraftstoffleitungen, Motorabdeckungen und Ölwannen aus Polyamiden hergestellt. Zugleich findet Polyamid als Nahtmaterial in der Chirurgie Verwendung.

Wie bereits aufgeführt, gehören auch 3D-Druck Filamente zu den Polymeren bzw. Polyamiden. Je nach Zusammensetzung des Materials lassen sich dabei unterschiedliche Projekte realisieren. Woraus Materialien wie beispielsweise ABS, PLA, PETG und HIPS, aber auch seltener genutzte 3D-Druck Filamente bestehen und wofür sie verwendbar sind, dies erläutern wir Ihnen in unserem Beitrag zu den 3D-Druck-Filamenten und weiteren 3D-Drucker-Materialien. Eine große Übersicht möglicher Anwendungsbereiche für Polymere und Polyamide beim 3D-Druck finden Sie in unserer Themenwelt.

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