PMMA – Transparent, superhart und robust

PMMA, auch bekannt unter Markennamen wie Crylux, Lucite, Perspex, Acryl- oder Plexiglas, ist ein synthetisch hergestellter, thermoplastischer Kunstsoff mit beeindruckenden mechanischen und optischen Eigenschaften. Polymethylmethacrylat, kurz PMMA, findet beispielsweise Verwendung bei der Herstellung von Haushaltsartikeln, in Kraftfahrzeug- und Licht-Technik, Medizin, Optik, Textil- sowie Halbleiter-Industrie und ist Bestandteil von Fotolacken. PMMA zeichnet sich gegenüber vergleichbaren Materialien durch besondere Härte, Stabilität und null Biegsamkeit aus – Eigenschaften, die es zu einem hervorragenden Filament für Anschauungsmodelle und Feinguss machen.

Physikalische und chemische Eigenschaften von PMMA

Polymethylmethacrylat entsteht durch Kettenpolymerisation des monomeren, aus selbständigen Molekülen bestehenden Methacrylsäureethylesters. Diese flüchtige, leichtentzündliche, farblose Flüssigkeit dient zur Herstellung von Kunststoffadditiven und Acrylpolymeren. Temperatur, Druck und Dauer des Polymerisationsprozesses beeinflussen dabei die physikalischen und chemischen Eigenschaften des entstehenden Werkstoffes. Jene miteinander verflochtenen Polymerketten brachten dem Kunststoff PMMA die Trivial-Bezeichnung Plexiglas ein, denn ‚plectere‚ bedeutet auf lateinisch ‚flechten‚.

Polymethylmethacrylat ist desweiteren glasklar und besitzt eine amorphe Struktur. Der auffallend harte und steife Kunststoff fällt besonders durch Brillanz und starken Oberflächenglanz auf. Mit einer Dichte von ca. 1,18 Gramm pro Kubikzentimeter ist der Werkstoff auch nur halb so schwer wie herkömmliches Fensterglas, transmittiert Licht jedoch besser als Mineralglas. PMMA zeichnet sich darüberhinaus durch eine gute Druck-, und Zugfestigkeit aus, besitzt eine hohe Oberflächenhärte und ist kratzfester als andere Thermoplast-Arten. Es lässt sich auch problemlos mit Lasern schneiden und gestattet Gravieren, Kleben, Schweißen und Einfärben. Das Material ist obendrein witterungsbeständig, UV-unempfindlich und vergilbt nicht. Ungefähr ab einer Temperatur von 100 °C ist der Werkstoff auch formbar, die Verformung ist jedoch reversibel und kann mehrfach wiederholt werden. PMMA verbrennt hingegen mit einer gelblichen Flamme tropfend und hinterlässt keine Rückstände, was es für den Einsatz in Gussformen prädestiniert.

PMMA – Eigenschaften in Kurzform

  • glasklarer, thermoplastischer Kunststoff
  • Lichtdurchlässigkeit: 92 Prozent gegenüber normalem Glas
  • beständig gegen Laugen mittlerer Konzentration, Säuren, Öl und Benzin
  • PMMA ist für den Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen
  • bei Kontakt mit Alkohol, Benzol und Aceton drohen Spannungsrisse
  • extrem hart, schlagfest, kratzunempfindlich, polierfähig, witterungsbeständig
  • Bearbeitungsmöglichkeiten: Schneiden mit Lasern, Kleben, Schweißen, Einfärben, Gravieren
  • erlaubt problemlos spanabhebende Bearbeitung
  • keine messbare Wasseraufnahme aus der Luft (Hygroskopie), max. 0.3 – 0.4%

Geschichte und Verwendung von PMMA

Polymethylmethacrylat wurde im Jahre 1928 faktisch gleichzeitig in Großbritannien, Deutschland und Spanien entwickelt. In Deutschland machte sich beispielsweise der renommierte Chemiker Walter Bauer durch seine Forschungen zu dieser Thematik verdient. Otto Röhm stellte seinerseits 1933 in Deutschland die ersten Acrylglasscheiben her und brachte sie zur Marktreife. Zu den ersten Gebrauchsartikeln aus dem vielseitigen Kunststoff gehörten beispielsweise die Deckel-Klappen für die Radio-Plattenspieler-Kombination SK 4 von Braun.

Einsatzgebiete von PMMA

Inzwischen ist Polymethylmethacrylat nahezu überall anzutreffen: Transparente Schüsseln, Kugelschreiber, Bestecke und Becher für den Haushalt werden etwa aus PMMA hergestellt. Auch Displays von Smartphones, Flachbildschirme, Brillengläser, optische Linsen sowie die Verglasung von Kfz-Leuchten bestehen ebenso aus dem nützlichen Kunststoff wie Leuchtwerbung, Reflektoren, optische Linsen und Sanitärbauteile. Die ständig wachsende Nachfrage nach LED-Fernsehgeräten ließ den Bedarf an PMMA-Formmassen noch einmal sprunghaft ansteigen, dieser beträgt inzwischen weltweit mehr als zwei Millionen Tonnen jährlich.

Auch für die Herstellung von Photovoltaik-Anlagen ist der Werkstoff wegen seiner Robustheit und hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich der Licht-Transmission unverzichtbar.

Weitere Einsatzgebiete sind auch die Zahnmedizin, die Orthopädie, die Halbleiterindustrie und die Hörgeräteakustik. Im Bauwesen findet PMMA hingegen Verwendung bei der Herstellung von Polymerbeton, Verglasungen und Abdichtungen. Die Textilindustrie nutzt den Kunststoff ihrerseits zur Herstellung pflegeleichter und strapazierfähiger Polyacrylfasern.

Seine nahezu kratzfeste, glänzende Oberfläche, die Brillanz und die vielfältigen Bearbeitungsmöglichkeiten machen PMMA auch zu einem beliebten Werkstoff beim Modellbau.

Besonderheiten der Verarbeitung von PMMA

PMMA wird hauptsächlich durch Extrusion, d.h. Erhitzen unter Druck in einer Auswurf-Düse oder Schleuder- und Spritzdruck verarbeitet. In Abhängigkeit vom angewandten Verfahren wird der Kunststoff dabei auf eine Temperatur von 180 bis 250 °C erhitzt. Biegen und Verformen sind sogar bereits bei Temperaturen zwischen 130 und 170 °C möglich. Es ist empfehlenswert, das Werkstück nach dem Umformen langsam abkühlen zu lassen. Optimal ist ein Temperaturabfall von 15 °C pro Stunde. Ein „Tempern“ (Erhitzen zum Zwecke der Härtung) von zwei bis drei Stunden bei einer Temperatur zwischen 60 und 80 °C härtet hingegen das Werkstück und verhindert Spannungsrisse.

Acrylglas lässt sich ausgezeichnet schneiden und zerspanen, dünne Folien können auch mit einem Cutter zugeschnitten werden. Ab einer Materialstärke von 1,5 Millimetern ist die Benutzung einer mit Hartmetall bestückten Kreissäge oder eines Lasers jedoch angeraten.

Da PMMA sich auch sehr gut zum Kleben eignet, sind Schweißtechniken hingegen eher bedeutungslos. Für das Verkleben von zwei Plexiglas-Oberflächen ist beispielsweise Dichlormethan ein geeigneter Klebstoff, während beim großflächigen Arbeiten lichthärtende Reaktionsklebstoffe auf PMMA-Basis vorteilhafter sind. Auch Silikonkautschuk und Kontaktklebstoffe können verwendet werden. Ein Erhitzen vor dem Verkleben der Bauteile garantiert dabei spannungsfreie Klebeverbindungen.

PMMA als Filament für den 3D Druck

Seine außergewöhnlichen physikalischen, chemischen und optischen Eigenschaften machen Polymethylmethacrylat auch zu einem wertvollen Filament für 3D Drucker. Ein besonderes Plus ist dabei die Formstabilität des Kunststoffes in einem Temperaturbereich von 90 bis -40 °C. Daneben macht die Schlagfestigkeit des Materials, die siebzehnmal höher ist als die herkömmlichen Glases, PMMA zum perfekten Filament für anspruchsvolle Druck-Objekte.

3D Druck-Modelle aus diesem Material lassen sich in erwärmten Zustand sogar wie Wachsmodelle bearbeiten. Die Herstellung von Maschinenteilen, Designmustern und Architekturmodellen kann dadurch besonders kostengünstig erfolgen. PMMA 3D Druckobjekte sind bei einer aushärtenden Nachbehandlung („Tempern“) sogar noch stabiler und härter als solche aus anderen Filamenten.

Auch die extreme Transparenz von PMMA macht es attraktiv für 3D-Druck-Profis, die maximal transparente Objekte drucken wollen. Dafür ist eine hohe Temperatur um 250°C nötig, da bei zu niedriger Temperatur zu inkonsistenter Extrusion kommen kann, was eine für jeden transparent-Druck tödliche Blasenbildung bedeutet. Außerdem leidet dann die Stabilität. Deshalb: PMMA lieber eher heiss drucken, am oberen Ende des vom Hersteller empfohlenen Temperatur-Bereichs.

Schrumpfung und Verformen beim Druck

PMMA Filament neigt beim 3D Druck zum Warping. Dabei kann sich das Druckobjekt an den Kanten aufwölben, verziehen oder sogar von der Druckplatte lösen. Warping entsteht durch Spannungen im Filament als Folge unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten der einzelnen Schichten des Druckobjektes. Abhilfe schaffen hierbei ein beheiztes Druckbett sowie ein geschlossener Bauraum. Daneben kann das Druckobjekt durch sogenannte BuildTak-Platten, Blue Tapes oder Haftsprays vor dem Ablösen von der Platte bewahrt werden. BuildTak-Platten sind aufs Heizbett klebbare Beschichtungsfolien, die optimale Haftung ermöglichen sollen.

Während des Druckens ist eine gute Belüftung des Raumes unerlässlich, da die beim Schmelzen des Kunststoffes entstehenden Dämpfe unangenehm riechen. Sie sind sogar bis zu einem gewissen Grade toxisch und können Rausch-Zustände hervorrufen.

FDB-Druck mit PMMA

Für den 3D Druck von Sandformen, die beim Gießen von Messing, Aluminium, Magnesium, Grau- und Stahlguss Verwendung finden, wird eine in Deutschland erfundene und patentierte besondere Spielart des 3D Drucks angewandt: Das Furan Direct Binding, kurz FDB. Hierfür muss das PMMA vor der Verarbeitung pulverisiert werden. Der chemische FDB-Prozess, der keine Wärme benötigt, basiert vornehmlich auf dem Partikelmaterial Quarzsand. Besonders vorteilhaft sind beim FDB-Druck die großen Bauräume und der schnelle Druck, welche dieses Verfahren bietet.

Nachbehandlung von PMMA-Drucken

3D Druckobjekte aus PMMA Filament lassen sich dem Zweck entsprechend vielseitig nachbehandeln. Häufig werden die Objekte infiltriert, da heißt, ihre Oberfläche wird mit einer Schicht aus Epoxidharz versiegelt. Dies sorgt für noch größere Stabilität, verhindert das Eindringen von Flüssigkeiten und schützt vor Verschmutzungen. Die gleichen Vorteile bietet auch das Färben des 3D-Objektes, was zusätzlich noch mit den optischen Reizen farbiger Gestaltung punktet.

PMMA ist auch löslich in Aceton, dieses kann also verwendet werden zum Glätten oder Kleben eines Drucks, ähnlich wie bei ABS und ASA.

Daten & Fakten für PMMA

Chemische Bezeichnung Polymethylmethacrylat
Druckgeschwindigkeit 20-40 mm/s
Dichte 1,13 - 1,20 g/cm3
Drucktemperatur 220 - 260°C
Heizbett-Temperatur 100 - 120°C
Zugfestigkeit 87 MPa
Flammschutz UL 94-HB
Wärmeformbeständigkeitstemperatur ca. 100°C
Biegemodul 2,7 - 3,2 GPa