Abitur Sachsen-Anhalt Chemie 2025 · LK · PLA für den 3 D-Druck

PLA für den 3D-Druck

Eine der populärsten Methoden des 3D-Druckens ist das F used- L ayer- M odeling-Verfahren (FLM-Verfahren), das auf dem Erweichen und Aufschmelzen eines Kunststoffes beruht. Vor allem PLA-Kunststoffe (Polylactid, Polymilchsäure) werden aufgrund ihres thermischen Verhaltens für dieses Verfahren eingesetzt. Das FLM-Verfahren zählt derzeit zu den günstigsten Möglichkeiten, dreidimensionale Objekte zu erzeugen.

Material 1: PLA [1] – [3]

Ein für den 3D-Druck häufig verwendeter Kunststoff ist Polymilchsäure (PLA). Dieser Kunststoff gehört zur Gruppe der Polyester. Der Ausgangsstoff für die Synthese ist Milchsäure (2-Hydroxypropansäure). In konzentrierten Lösungen gibt es kaum einzelne offenkettige Moleküle. Vielmehr bilden sich säurekatalysiert unter Abspaltung von Wasser-Molekülen cyclische Verbindungen, sogenannte Dilactid-Moleküle.

Die Bildung von PLA verläuft ausgehend von den Dilactiden. Diese reagieren bei Wärmezufuhr in Anwesenheit eines Katalysators zu PLA.

PLA ist biologisch abbaubar, leicht, robust, UV-beständig und schwer entflammbar. Zudem besitzt es eine verhältnismäßig niedrige Erweichungstemperatur von ca. 55 bis 65 °C und einen Schmelzbereich von ca. 160 bis 220 °C.

Material 2: Das FLM-Druckverfahren [4]

Ein FLM-Drucker funktioniert im Prinzip wie eine Heißklebepistole: Er besteht aus einer beheizbaren Einheit, in die das Druckmaterial (Filament) geschoben und erwärmt wird. Als Filament bezeichnet man Endlosfasern aus Kunststoff.

Die plastisch verformbare Polymermasse wird unter kontinuierlichem Druck aus der Düse herausgepresst. Die Temperatur, mit der die Düse arbeitet, ist einstellbar. Je nach Filamentsorte muss die Temperatur angepasst werden. Das erweichte Material wird nun Schicht für Schicht aufgetragen. Computergesteuert wird es entsprechend der programmierten Form gedruckt.

Material 3: Die zwei Isomere der Milchsäure [3], [6]

Aufgrund ihrer unterschiedlichen optischen Aktivität kann man D-Milchsäure und L-Milchsäure unterscheiden. Ein racemisches Milchsäure-Gemisch enthält zu gleichen Teilen D- und L-Milchsäure. PLA-Kunststoffe können aus Gemischen mit unterschiedlichem Monomeranteil von D- und L-Milchsäure hergestellt werden. Die PLA-Kunststoffe unterscheiden sich dann in der prozentualen Zusammensetzung ihrer Monomere im Copolymer. Aber auch die Herstellung isomerenreiner PLA-Kunststoffe nur aus L- oder D-Milchsäure ist möglich.

PLA besteht aus Molekülen unterschiedlicher Länge, weshalb PLA keine bestimmte molare Masse besitzt. In der Kunststofftechnik verwendet man deshalb eine statistische Größe: die sogenannte zahlenmittlere Molmasse $M_n$. Je höher dieser Zahlenwert ist, desto länger sind durchschnittlich die Polymerketten.

Der Einfluss einer unterschiedlichen Zusammensetzung von PLA-Kunststoffen auf die Erweichungstemperatur, also die Temperatur, bei der der Kunststoff plastisch verformbar wird, wurde untersucht. Die Ergebnisse sind im folgenden Diagramm dargestellt.

1

Beschreiben Sie den Reaktionsmechanismus einer Estersynthese unter Verwendung geeigneter Strukturformeln am Beispiel der Milchsäure als Edukt (M 1).

Geben Sie eine fachlich korrekte Bezeichnung für den beschriebenen Mechanismus an.

[11 BE]

PLA für den 3D-Druck

Eine der populärsten Methoden des 3D-Druckens ist das F used- L ayer- M odeling-Verfahren (FLM-Verfahren), das auf dem Erweichen und Aufschmelzen eines Kunststoffes beruht. Vor allem PLA-Kunststoffe (Polylactid, Polymilchsäure) werden aufgrund ihres thermischen Verhaltens für dieses Verfahren eingesetzt. Das FLM-Verfahren zählt derzeit zu den günstigsten Möglichkeiten, dreidimensionale Objekte zu erzeugen.

Material 1: PLA [1] – [3]

Ein für den 3D-Druck häufig verwendeter Kunststoff ist Polymilchsäure (PLA). Dieser Kunststoff gehört zur Gruppe der Polyester. Der Ausgangsstoff für die Synthese ist Milchsäure (2-Hydroxypropansäure). In konzentrierten Lösungen gibt es kaum einzelne offenkettige Moleküle. Vielmehr bilden sich säurekatalysiert unter Abspaltung von Wasser-Molekülen cyclische Verbindungen, sogenannte Dilactid-Moleküle.

Die Bildung von PLA verläuft ausgehend von den Dilactiden. Diese reagieren bei Wärmezufuhr in Anwesenheit eines Katalysators zu PLA.

PLA ist biologisch abbaubar, leicht, robust, UV-beständig und schwer entflammbar. Zudem besitzt es eine verhältnismäßig niedrige Erweichungstemperatur von ca. 55 bis 65 °C und einen Schmelzbereich von ca. 160 bis 220 °C.

Material 2: Das FLM-Druckverfahren [4]

Ein FLM-Drucker funktioniert im Prinzip wie eine Heißklebepistole: Er besteht aus einer beheizbaren Einheit, in die das Druckmaterial (Filament) geschoben und erwärmt wird. Als Filament bezeichnet man Endlosfasern aus Kunststoff.

Die plastisch verformbare Polymermasse wird unter kontinuierlichem Druck aus der Düse herausgepresst. Die Temperatur, mit der die Düse arbeitet, ist einstellbar. Je nach Filamentsorte muss die Temperatur angepasst werden. Das erweichte Material wird nun Schicht für Schicht aufgetragen. Computergesteuert wird es entsprechend der programmierten Form gedruckt.

Material 3: Die zwei Isomere der Milchsäure [3], [6]

Aufgrund ihrer unterschiedlichen optischen Aktivität kann man D-Milchsäure und L-Milchsäure unterscheiden. Ein racemisches Milchsäure-Gemisch enthält zu gleichen Teilen D- und L-Milchsäure. PLA-Kunststoffe können aus Gemischen mit unterschiedlichem Monomeranteil von D- und L-Milchsäure hergestellt werden. Die PLA-Kunststoffe unterscheiden sich dann in der prozentualen Zusammensetzung ihrer Monomere im Copolymer. Aber auch die Herstellung isomerenreiner PLA-Kunststoffe nur aus L- oder D-Milchsäure ist möglich.

PLA besteht aus Molekülen unterschiedlicher Länge, weshalb PLA keine bestimmte molare Masse besitzt. In der Kunststofftechnik verwendet man deshalb eine statistische Größe: die sogenannte zahlenmittlere Molmasse $M_n$. Je höher dieser Zahlenwert ist, desto länger sind durchschnittlich die Polymerketten.

Der Einfluss einer unterschiedlichen Zusammensetzung von PLA-Kunststoffen auf die Erweichungstemperatur, also die Temperatur, bei der der Kunststoff plastisch verformbar wird, wurde untersucht. Die Ergebnisse sind im folgenden Diagramm dargestellt.

2

Stellen Sie unter Verwendung von Strukturformeln eine Reaktionsgleichung für die Bildung des PLA-Polymers aus dem Dilactid auf (M 1). [3 BE]

3

Leiten Sie drei Eigenschaften eines für den 3D-Druck geeigneten Kunststoffs ab (M 2). Begründen Sie die Eignung von PLA für den 3D-Druck auf Teilchenebene (M 1, M 2). [7 BE]

4

Beschreiben Sie das Diagramm und leiten Sie Zusammenhänge aus der Untersuchung von PLA-Kunststoffen ab (M 3). Geben Sie eine mögliche Erklärung der Ergebnisse an (M 3). [14 BE]

5

Beurteilen Sie, wie sich die Wahl von Temperatur und Druckgeschwindigkeit auf den 3D-Druck auswirkt, wenn unterschiedliche PLA-Isomerengemische verwendet werden (M 2, M 3). [5 BE]

Ihre Antworten wurden erfasst. Vergleichen Sie Ihre Bearbeitungen mit den Musterlösungen der Erwartungshorizonte.