Experteninterview: Brian Alexander von Solvay über die Entwicklung von Hochleistungspolymeren für den 3D-Druck 

Angesichts der schnell wachsenden Nachfrage nach Hochleistungspolymeren für die additive Fertigung wollen sich die großen Werkstoffunternehmen auf dem Markt behaupten. Und da sich die Industrie jetzt auf Produktionsanwendungen ausrichtet, besteht ein größerer Bedarf an technischen Materialien, die die anspruchsvollen Anwendungen in einer Reihe von Branchen erfüllen können. Ein Hinweis auf den allgemeinen Anstieg der additiven Fertigung ist die Tatsache das namhafte Unternehmen wie Solvay, BASF, SABIC und andere derzeit Materialien entwickeln, die speziell auf die Bedürfnisse von AM zugeschnitten sind.
 
Solvay ist ein 10-Milliarden-Euro-Unternehmen mit über 150 Jahren Erfahrung in der Materialentwicklung. Das belgische Unternehmen, das kürzlich in unserer Additive Manufacturing Landscape vorgestellt wurde, stellt Spezialmaterialien her, die in so unterschiedlichen Branchen wie Automobil, Medizin und Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.
 
Diese Woche sprechen wir mit Brian Alexander, der die Inkubationsplattform für Additive Fertigung von Solvay Specialty Polymer gründete. Wir diskutieren über die Entscheidung von Solvay, auf additive Fertigung umzusteigen, die Möglichkeiten, die die Technologie bietet, und warum Hochleistungswerkstoffe für die Fertigung so wichtig sind.
 

Die Chancen der additiven Fertigung erkennen  

Anfang 2016 war es unmöglich, den Aufstieg der additiven Fertigung zu ignorieren. Nach einer Reihe interner Diskussionen wurde im Bereich Solvay Specialty Polymers ein neuer Geschäftsbereich eingerichtet, der sich ausschließlich auf diese Technologie konzentriert. 
 
„Ein wesentlicher Treiber war die Tatsache, dass sich die additive Fertigung nahtlos in unser Angebot als Unternehmen einfügt“, sagt Alexander. „Unsere derzeitigen Märkte und die Märkte, die wir tendenziell bearbeiten, sind in der Regel hochwertige Märkte, in denen Kleinserienproduktion und Massenanpassung gängige Anwendungen sind. Zwei gute Beispiele sind Branchen wie Luft- und Raumfahrt und das Gesundheitswesen, in denen nicht Millionen von Teilen, sondern vielleicht nur Tausende von Teilen pro Jahr hergestellt werden. ” 
 

„Zweitens konnten wir das extreme Potenzial der Technologie erkennen: AM wurde zu wichtig, um es zu ignorieren. Im Wesentlichen bedeutete dies entweder eine Bedrohung für unser derzeitiges Geschäft oder eine Chance. Wir haben uns für Letzteres entschieden.“  

 
Alexander erklärt dabei auch, dass bei 2016 eine Reihe von Patenten für Technologien wie SLS und FFF ausgelaufen waren und sich dies auch auf die Einschätzung von Solvay auf den sich entwickelnden Markt ausgewirkt hat. 
 
„Der Markt öffnete sich viel mehr und neue Akteure eröffneten wichtige Möglichkeiten auf der Polymerseite. Mit der Gelegenheit ging natürlich auch viel Hype einher, daher war es uns wichtig, pragmatisch vorzugehen. “ 
 
Alexander merkt an, wie sehr sich die Branche in nur drei Jahren verändert hat.

„In unserem ersten Jahr haben wir viele unserer Top-Kunden befragt, um deren Bedürfnisse zu verstehen und zu erfahren, wo sie mit AM bereits waren. Überraschenderweise glaubte 2016 kaum jemand an AM. “Es ist interessant, aber nicht für die Massenproduktion”, lautete die allgemeine Meinung. Das hat sich jetzt natürlich sehr geändert. “  

AM erfordert ein Umdenken 

Solvay Specialty Polymers gehört zu den Geschäftsbereichen der Solvay-Gruppe und beschäftigt rund 3.500 Mitarbeiter. „Unser Wertversprechen ist, dass wir eines der größten Portfolios an Hochleistungswerkstoffen auf dem Markt haben“, sagt Alexander. „Wir haben rund 35 verschiedene Polymere mit einzigartigen Eigenschaften im Angebot.“ 
 
Diese Polymere sind hochwertige Materialien, die auch in kleineren Mengen verkauft werden. Dies ergänzt die additive Fertigung, bei der spezialisierte, hochwertige Anwendungen von den Effekten der Skalierbarkeit und der Komplexität profitieren können, die die Technologie erfordert.
 
Alexander stellt jedoch auch fest, dass die Entwicklung von Materialien speziell für den additiven Herstellungsprozess eine Umorientierung erfordert.  
 

„Wir haben schnell festgestellt, dass sich die gesamte Denkweise von AM von der traditionellen Fertigung weitgehend unterscheidet. Sie müssen Ihre Wertschöpfungskette komplett neu gestalten. Nahezu alles muss sich ändern, vom Material bis zum Design – und sie müssen natürlich auch Ihre Ausrüstung und Prozesse optimieren.“

 
„Wir wussten, dass wir keinen Erfolg haben würden, wenn wir versuchen würden, unsere Standardharze, die es zum Teil seit bereits 30 Jahren gibt, im AM-Raum zu verkaufen. Unser Ziel war es daher, der führende Anbieter von maßgeschneiderten AM-fähigen Hochleistungslösungen zu werden.“ 
 
Was bedeutet das in der Praxis?
 
“Nun, wir müssen genau wissen, was in die Maschine fließt”, sagt Alexander. „Wenn wir die Wertschöpfungskette mit den unterschiedlichsten Schritten verschmutzen und keine Ahnung haben, was in die Maschine fließt, haben wir keine Kontrolle über den Prozess. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn Sie versuchen, Materialien für sehr hochwertige Nischenmärkte wie Medizin oder Luft- und Raumfahrt zu qualifizieren. ” 
 

Der Weg zur Entwicklung von Hochleistungspolymeren für Additive  

„Die additive Fertigung begann mit relativ leistungsschwachen Materialien wie PLA und ABS“, sagt Alexander. „Diese eignen sich hervorragend zum Herstellen von Spielzeugen und Geräten. Um jedoch die Vorteile der Technologie voll ausschöpfen zu können, benötigen Sie Materialien in Industriequalität wie beispielsweise PEEK. “ 
 
Der zunehmende Bedarf an Materialien in Industriequalität lässt sich mit der branchenweiten Verlagerung von der Verwendung des 3D-Drucks für die Serienproduktion und nicht nur für das Prototyping verbinden.
 
Wie Alexander es ausdrückt: “Wenn Sie sich nur auf das Prototyping konzentrieren, profitieren Sie nicht von den Vorteilen der additiven Fertigung, da diese Teile nicht für AM entwickelt wurden.” So erhalten Sie niemals die gleichen Eigenschaften.
 
„In der Serienfertigung, wenn Sie ein Teil Ihrer Wahl produzieren möchten, müssen Sie einen breiten Bereich an Temperaturen, mechanischen Eigenschaften, Qualifikationen, Zulassungen usw. in Betracht ziehen. Nur dann können Sie alle diese Elemente zusammenführen, um das Design zu erhalten, das Sie wirklich erhalten möchten. Deshalb arbeiten wir daran mehr Hochleistungswerkstoffe anzubieten, als derzeit auf dem Markt erhältlich sind.“ 
 
Die Entwicklung von Hochleistungspolymeren speziell für die additive Fertigung ist nicht zuletzt aufgrund der Vielfalt der auf dem Markt befindlichen 3D-Drucktechnologien und des breiten Materialportfolios von Solvay keine Kleinigkeit. 
 
Am Ende entschied sich das Unternehmen für Fused Filament Fabrication (FFF) – die am besten zugängliche 3D-Drucktechnologie. 
 
Beim Testen dieser Ausgangsmaterialien hatte Solvay auch zwei wichtige Zielmärkte im Auge: das Gesundheitswesen für seine Massenanpassungsanwendungen und die Luft- und Raumfahrt für die Kleinserienproduktion.
 
„Die wichtigsten Fragen, die wir uns stellten, waren: Wie werden unsere Materialien derzeit in diesen Märkten verwendet und wie können wir ihnen den 3D-Druck ermöglichen? Dies würde unseren Kunden die Möglichkeit geben, unsere Materialien als Ergänzung zu ihrer traditionellen Herstellung noch weiter zu verwenden.“
 
Zunächst wurden PEEK (Polyetheretherketon) und PPSU (Polyphenylsulfon) als die Polymere ausgewählt, mit denen wir anfangen wollten. 
 
PEEK ist bekannt für seine außergewöhnliche Stabilität, Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit sowie sein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Es wird für Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen verwendet, zu denen Flugzeugkomponenten, Lager der Automobilindustrie, Öl und Gas sowie elektronische Komponenten gehören.
 
In ähnlicher Weise besitzt PPSU eine hohe Wärmebeständigkeit und eine außergewöhnliche Chemikalien- und Schlagfestigkeit sowie Bruchdehnung. Es kann für Anwendungen wie medizinische Geräte, Sanitär- und Lebensmitteldiensteanwendungen verwendet werden, um nur einige zu nennen.
 
“Wenn es um AM geht, müssen Sie verstehen wie sich Ihre Materialien in Bezug auf Schrumpfung, Verzug und Kohäsion verhalten”, sagt Alexander. 
 
Im Oktober 2017 startete Solvay auch den Additive Manufacturing Cup. Der Wettbewerb lud Studenten auf der ganzen Welt dazu ein, die Eignung für additive Fertigung unter Beweis zu stellen, indem sie ein PEEK-Filament zur Herstellung komplexer Teile verwenden. Die Ergebnisse, sagt Alexander, waren phänomenal. 
 
„Die Ergebnisse, die wir erhalten haben, waren beeindruckend. Die Studenten konnten sich sehr schnell entwickeln. Es zeigte sich, dass die Möglichkeiten zur Durchführung einer Änderung vorhanden waren, wenn jemand die Änderung implementieren konnte. Dies gab uns das Vertrauen, etwas anderes auszuprobieren.“ 
 

Die Entstehung eines neuen Geschäftsmodells 

Die Ergebnisse des Additive Manufacturing Cup führten dazu, dass Solvay eine neue Art der Kundenbindung entwickelte: über eine neue E-Commerce-Plattform. 
 
„Anstatt die traditionelle Route mit einem geschlossenen Modell zu beschreiten, haben wir uns entschieden, unsere Materialien für alle zu einem fairen Preis zur Verfügung zu stellen, die mit Karte direkt bezahlen wollen“, sagt Alexander. 
 
„Diese Konzept macht es schnell, transparent und einfach, Polymermaterialien zu kaufen, und es ist das erste seiner Art auf dem Markt, dass von einem großen Chemieunternehmen angeboten wird. Unser Endziel ist es, die nächste Generation für den Einsatz unserer Materialien zu begeistern.“ 
 
Wenn es darum geht, seine Industriekunden zu bedienen, sind Daten der Schlüssel. „Betrachtet man die Datenblätter anderer Chemieunternehmen, so handelt es sich lediglich um Datenblätter von Spritzgussteilen“, erklärt Alexander. „Deshalb haben wir beschlossen, alle unsere Daten zu additiv gefertigten Teilen zur Verfügung zu stellen. Somit demonstrieren wir, dass unsere Industriekunden Vertrauen in unsere Materialien haben können.” 
 

Warum Verarbeitungskontrolle wichtig ist?

Alexander macht die Bedeutung der Verarbeitungskontrolle deutlich. “Ohne einen guten Prozess oder eine gute Ausrüstung werden Sie mit einem schlechten Teil enden. Deshalb arbeiten wir intensiv an der Entwicklung von Partnerschaften. Wir versuchen beispielsweise, mit Herstellern von 3D-Druckern zusammenzuarbeiten, um ihnen zu helfen, die Verarbeitung unserer Polymere und das von den Maschinen geforderte Druckprofil zu verstehen. 
 
„Die Mehrheit unserer Industrieanwender wünscht sich eine Plug-and-Play-Lösung: Ein Material, das sie in die Maschine einlegen können und bei dem das Teil jedes Mal auf die gleiche Weise herauskommt. Wir bei Solvay wissen, dass wir irgendwann dort ankommen wollen.“ 
 
Alexander erklärt weiter, warum es so wichtig ist, den Prozess der additiven Fertigung kontrollieren zu können. „Was wir zwischen 2017 und 2018 gelernt haben, ist, dass das Drucken des Teils von entscheidender Bedeutung ist. Wenn das Material eine hohe Porosität sowie Mikro- und Makroporen aufweist, ist Ihre Festigkeit und Bruchdehnung überhaupt nicht konstant. Der einzige Weg, dies zu tun, besteht darin, zu lernen, wie Sie Ihre Materialien verarbeiten und den Prozess dann anpassen, um ein vollständig homogenes Teil zu erhalten.
 

„Wenn Sie alle Vorteile von AM nutzen möchten – Gitter, Leichtbau, Teilekonsolidierung usw. – müssen Sie wissen, wie Sie Ihr Material verarbeiten müssen und wie sich Ihr Material mit einer Gitterstruktur, einer Begrenzungskante und welche Möglichkeit besteht ein bereits bestehendes Design so optimieren, dass es für AM geeignet ist.“ 

Die Rolle der Materialsimulation  

Solvay ist weiterhin bestrebt, seine AM-Materialkapazitäten zu erweitern.
 
Im vergangenen Jahr gab das Unternehmen seine Partnerschaft mit e-Xstream engineering bekannt, einem Anbieter von Simulationssoftware. Die Partnerschaft sieht vor, dass Solvays Hochleistungspolymere der Digimat-AM-Plattform des Unternehmens für die Materialsimulation hinzugefügt werden.
 
Die 3D-Drucksimulation nimmt zu, da es immer wichtiger wird, vorhersagen zu können, wie sich ein Teil verhält, bevor ein Design zum Drucken gesendet wird. 
 
Mit Digimat-AM können Benutzer den 3D-Druckvorgang simulieren. Durch die Partnerschaft mit Solvay können Anwender das thermomechanische Verhalten von Solvay-Polymeren bereits in der Entwurfsphase vorhersagen. Durch die digitale Neuerstellung der physischen Bedingungen und des Teileverhaltens kann ein Großteil der im Versuch aufgetretenen Fehler, die in dem AM-Prozess auftreten, bereits im Vorfeld beseitigt werden.
 
Alexander erklärt das Ziel der Partnerschaft. 
 
„Ziel war es, den Nutzern die Möglichkeit zu geben, einen digitalen Zwilling ihres Materials zu erhalten. Mit Digimat-AM können Sie jetzt mit allen Solvay AM-fähigen Materialien, die auf dem Markt erhältlich sind, entwerfen und simulieren.“
 
„Wenn Designer ein Konzept testen möchten, können sie bis zu 24 Stunden damit verbringen, ein Teil zu drucken, das möglicherweise nicht funktioniert oder sogar das falsche Design aufweist. Wenn Sie jedoch das Rätselraten vereinfachen und vorhersagen können, wie sich ein Teil vor dem Drucken verhält, schaffen Sie einen erheblichen Mehrwert für den Kunden und beschleunigen dabei sogar die Markteinführung.” 
 

Die Zukunft der AM-Polymere  

Alexander betrachtet die Zukunft der additiven Fertigung eher philosophisch.
 
“Ehrlich gesagt, ich freue mich am meisten über das Versprechen das AM bietet. Größere Unternehmen sind motivierter, dieses Versprechen zu verwirklichen, indem sie sich von einem Bewerbungs oder Qualifizierungsansatz entfernen, um den Bedarf an Prozessqualifizierung zu erkennen. Das ist der aufregendste Trend. Wenn Sie keinen gut funktionierenden Prozess haben, haben Sie kein erfolgreiches Teil. So einfach ist das. Ich glaube auch nicht, dass AM jemals die traditionellen Fertigungsmethoden vollständig ersetzen wird, aber es kann durchaus eine Ergänzung sein und dabei neue Ideen durchsetzen und Möglichkeiten schaffen.” 
 
Bezüglich des Materialaufwands ist Alexander eher positiv. „Skaleneffekte sind sicherlich eine aktuelle Herausforderung, und die Preise sind immer noch recht hoch. Aber so ist es im Moment. Wir müssen den Markt erst schaffen. Ich bin daher zuversichtlich, dass die Preise sinken werden, wenn das Volumen steigt und die Anwendungsgebiete erweitert werden.“
 
2019 wird für Solvay ein arbeitsreiches Jahr, da weiterhin an der Qualifizierung des Prozesses von Additive gearbeitet wird. “Wir versuchen, unsere Druckprofilanwendungen auf eine Reihe von Druckanbietern anzuwenden”, erklärt Alexander. „Unser Ziel ist es, 10-15 Akzidenzdrucker zu haben, die in der Lage sind, unsere Polymere gleichmäßig zu drucken.“
 
„Wir streben auch mehr Partnerschaften an, insbesondere im Bereich Advanced Materials, und streben andere Technologien und Materialien an. Dazu gehören pulverbasierte Technologien wie SLS und Multi Jet Fusion. Schließlich arbeiten wir mit unseren wichtigsten OEMs zusammen, die die Mentalität und die Fähigkeit haben, in etwas zu investieren, das sehr aufrührend sein wird.” 
 
Um mehr über Solvay zu erfahren, besuchen Sie: https://www.solvay.com/en