3D-Druckmaterialien: Ein Überblick (Teil 1: FDM-Druck – Filament)

Mittlerweile eine riesige Auswahl an Materialien, die stetig wächst, da immer mehr Materialien druckbar gemacht werden.

Am häufigsten kommen im Hobby-Bereich Kunststoffe zum Einsatz. Diese könne von sehr stabil bis hin zu sehr einfach zu handhabenden reichen können. Harz ist ein weiteres gängiges Material und wird bei SLA- und DLP-Druckern verwendet. Verbundwerkstoffe sind eine weitere Kategorie und, wie der Name schon sagt, entstehen sie durch die Kombination zweier Materialien, um die besten Eigenschaften zu erhalten.

Hier versuche ich einen Überblick über die handelsübliche 3D-Druckmaterialien zu geben.

Die einfachste und wohl kostengünstigste Art etwas in 3D zu drucken, ist wohl das ein FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling), gleichzeitig ist sie wohl das was man im Volksmund unter 3D-Druck versteht.

FDM-Drucker arbeiten durch Verschmelzen von Materialschichten zu einem Objekt. Das Material ist in diesem Fall in der Regel ein thermoplastisches Filament, das geschmolzen und dann Schicht für Schicht auf das Druckbett aufgebracht wird. Am häufigsten kommt hier PLA, ABS und PETG zum Einsatz.

PLA (Polylactic Acid)

PLA ist ein beliebtes 3D-Drucker-Material aus Maisstärkederivaten (Zuckerrohr- und Tapiokavarianten gibt es ebenfalls), das biologisch abbaubar ist. Es lässt sich sehr leicht drucken bei einer geringen Temperatur von 70°C. Der Nachteile von PLA ist jedoch, es ist weniger haltbar ist und nicht sehr hitzeresistent. Braucht man also Komponenten für industrielle oder technische Zwecke, sollte man auf etwas wie ABS zurückgreifen. PLA gibt es in vielen unterschiedlichen Farben, manche Varianten haben zusätzliche Fasern, die eine Holz- oder Metall-Optik erzeugen. PLA sollte luftdicht gelagert werden, da es ansonsten Feuchtigkeit aud der Luft aufnimmt und zu unschönen Effekten im Druckbild führen kann, bzw. auch spröde wird.

EIGENSCHAFTEN VON PLA

• Drucktemperatur: 205 ± 15 °C
• Druckbett Temperatur: 50 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: Glas, Blue Tape, PEI, Klebestift
• Stärke: mittel
• Haltbarkeit: mittel
• Flexibilität: niedrig
• Löslich: nein
• Schwierigkeitsgrad: niedrig

PLA – Vorteile

• unkomplizierter Druck
• niedriger Schmelzpunkt
• geringes Warping
• kein beheizbares Druckbett notwendig
• umweltfreundlich mit geringer Toxizität
• lebensmittelecht

PLA – Nachteile

• bindet Wasser
• niedriger Schmelpunkt
• keine hohe Festigkeit, schlechte mechanische Eigenschaften
• kann spröde werden

ABS (Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymer)

Kennt ihr nicht? Doch kennt ihr, Lego-Steine werden eben aus dem gleichen Material gemacht und sofort erkennt man ein paar Vorteile des Materials – ABS ist sehr robust und leicht, dazu relativ günstig und in vielen Farben verfügbar. ABS wird bei einer Temperatur zwischen 220° und 250°C gedruckt, weshalb ein beheiztes Druckbett nötig ist um den Kühlungsprozess des Materials zu kontrollieren und Verformungen zu vermeiden. ABS sollte bei der Aufbewahrung vor Luftfeuchtigkeit geschützt werden, im besten Fall vakuumverpackt.

EIGENSCHAFTEN VON ABS

• Drucktemperatur: 230 ± 10 °C
• Druckbett Temperatur: 90 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: PEI Folie, Kapton Tape
• Stärke: mittel
• Haltbarkeit: hoch
• Flexibilität: mittel
• Löslich: Aceton, Ester, Ketone
• Schwierigkeitsgrad: mittel

ABS – Vorteile

• unkomplizierter Druck
• niedriger Schmelzpunkt
• Temperaturbeständig, langlebig
• geringes Gewicht
• umweltfreundlich mit geringer Toxizität
• robust, kratzfest, flexibel

ABS – Nachteile

• hoher Ausdehnungsgrad, starkes Warping
• hoher Schmelzpunkt
• beheizbares Druckbett wird benötigt (80 bis 100 °C)
• nicht umweltfreundlich
• nicht lebensmittelecht
• leicht reizbare Dämpfe beim Druck

PET (Polyethylenterephthalat)

PET ist ein lebensmittelechtes 3D-Material, das man in Wasserflaschen findet und gerne als Alternative zu ABS verwendet. Beim Schmelzen von PET entstehen keine bedenklichen Dämpfe wie bei ABS, und doch ist es robust und flexibel. Wichtiger ist, dass man bei PET kein beheiztes Druckbett benötigt. Als 3D-Drucker-Material ist es sehr beliebt für Konsumgüter, weil es lebensmittelecht ist und eine glänzende Oberfläche hat. PET-Filament sollte wie andere Materialien vor Luftfeuchtigkeit geschützt werden und kann problemlos recycled werden.

PETG (Polyethylenterephthalat + Glykol)

PETG ist eine Art von PET, das mit dem Glycol kombiniert wurde, unter anderem um Transparenz zu erzeugen. PETG kann bei niedrigen Temperaturen gedrukt werden und fließt schneller als PET-Filament (bis zu 100mm/s). Bauteile aus PETG sind witterungsbeständig und werden deshalb oft im Freien eingesetzt. Ein weiterer Vorteil ist, dass es wie PET und PLA lebensmittelecht ist. Wie diese 3D-Drucker-Materialien sollte PETG luftdicht gelagert werden.

EIGENSCHAFTEN VON PET, PETG

• Drucktemperatur: 240 ± 10 °C
• Druckbett Temperatur: 80 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: Glas, Blue Tape, Klebestift
• Stärke: mittel
• Haltbarkeit: hoch
• Flexibilität: mittel-hoch
• Löslich: nein
• Schwierigkeitsgrad: mittel

PET, PETG – Vorteile

• lebensmittelecht
• keine Trübung
• geruchsneutral bei der Verarbeitung
• schwer entflammbar
• hohe Witterungsbeständigkeit
• geringes Schrumpfverhalten

PET, PETG – Nachteile

• nicht UV-beständig
• nicht kratzfest

TPE (Thermoplastisches Elastomer)

Thermoplastische Elastomere sind Kunststoffe, die gummiartige Eigenschaften aufweisen, besonders haltbar und flexibel sind. Diese flexiblen Filamente stellen einen Mittelweg zwischen den Werkstoffen Kunststoff und Gummi dar. Der Begriff TPE ist ein Überbegriff der flexiblen Filamente dieser Materialgruppe. In der Polymer-Werkstoff-Familie stellen thermoplastische Elastomere neben Duromeren, Elastomeren und Thermoplasten eine eigene Kategorie dar.

EIGENSCHAFTEN VON TPE

• Drucktemperatur: 220 ± 10 °C
• Druckbett Temperatur: 30 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: Blue Tape, Klebestift
• Stärke: niedrig
• Haltbarkeit: mittel
• Flexibilität: sehr hoch
• Löslich: nein
• Schwierigkeitsgrad: hoch

TPU (Thermoplastisches Polyurethan)

Thermoplastisches Polyurethan, kurz TPU genannt, ist eine TPE-Variante. Damit ist auch TPU sehr flexibel.

TPU lässt sich einfacher drucken als TPE, hält länger und ist auch bei kalter Umgebung elastisch. Damit ist TPU im 3D Druck beliebter als TPE wenn es um flexible Filamente geht.

EIGENSCHAFTEN VON TPU

• Drucktemperatur: 250 ± 10 °C
• Druckbett Temperatur: 50 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: Blue Tape, Klebestift
• Stärke: mittel
• Haltbarkeit: hoch
• Flexibilität: sehr hoch
• Löslich: nein
• Schwierigkeitsgrad: mittel

Nylon

Nylon ist die komplett synthetisch hergestellte Faser aus Wasser, Kohlenstoff und Luft. Nylon Filament ist ein beliebtes synthetisches Polymer für 3D-Prints und auch in der Industrie wird Polyamid für eine Vielzahl an Anwendungen eingesetzt. Es ist sehr haltbar, robust und flexibel und daher für viele Einsatzzwecke ideal. Dafür ist es nicht ganz so einfach zu drucken wie PLA.

EIGENSCHAFTEN VON NYLON

• Drucktemperatur: 245 ± 20 °C
• Druckbett Temperatur: 80 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: Glas, Klebestift
• Stärke: hoch
• Haltbarkeit: hoch
• Flexibilität: hoch
• Löslich: nein
• Schwierigkeitsgrad: mittel-hoch

PVA (Polyvinylalkohol)

PVA ist ein Stützmaterial für 3D-Drucke von komplizierten Formen. Während andere Stützmaterialien in speziellen Chemikalien gelöst werden müssen, ist PVA in Leitungswasser löslich. Es ist sehr empfindlich und muss deshalb vakuumverpackt aufbewahrt werden. Ein reiner Druck mit PVA empfhielt sich daher nicht, sinnvoller ist es für die Stützstrukturen bei einem Einsatz eines Druckers mit Dual-Extruder zu verwenden.

EIGENSCHAFTEN VON PVA

• Drucktemperatur: 190 ± 10 °C
• Druckbett Temperatur: 50 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: PEI, Blue Tape
• Stärke: hoch
• Haltbarkeit: mittel
• Flexibilität: niedrig
• Löslich: Wasser
• Schwierigkeitsgrad: mittel

Holz-Filament (PLA mit Holzfasern)

Holz 3D-Filament ist ein Verbundwerkstoff und besitzt einen großen Anteil an PLA hergestellt. Drucke können genau wie das echte Material verarbeitet werden. Sie können sie zersägen, schleifen oder lackieren. Der Braunton des Holz-Filaments lässt sich durch die Temperatur beim Drucken regulieren. Bei niedrigen Temperaturen erhält man hellere Farbtöne, bei hohen Temperaturen dagegen intensivere und dunklere Brauntöne. Je nach Hersteller des Holz-Filaments kann man ggf. auch aus verschiedenen Düften wählen, aktuell gibt es Birke, Olive, Bambus und Weide.

EIGENSCHAFTEN VON HOLZ FILAMENT

• Drucktemperatur: 205 ± 15 °C
• Druckbett Temperatur:  50 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: Glas, Blue Tape, PEI, Klebestift
• Stärke: mittel
• Haltbarkeit: mittel
• Flexibilität: niedrig
• Löslich: nein
• Schwierigkeitsgrad: mittel

Metall-Verbundfilamente (PLA mit Metallflocken)

Dabei handelt es sich ebenfalls wie Holz um ein Verbundwerkstoff, der mit geringen Metallmengen vermischt wurde, um Ihrem gedruckten 3D-Modell die optischen Eigenschaften von Metall zu verleihen, aber ohne die Funktionalität von Metall.

Für „echte Metalldrucke“ ist dann doch ein wenig mehr notwendig: Es gibtein paar Filamente die, die größtenteils aus Metall und sehr wenig Kunststoff bestehen, die nachdem sie gesintert wurden vollständig metallische Teile liefern. Um mit diesen zu drucken, benötigen man jedoch eibe Sintermaschine und einem 3D-Drucker, der mit den Eigenschaften von Metallfilamenten umgehen kann.

Metall-Verbundfilamente verleihen Ihren Drucken ein kühles, metallisches Aussehen, das sich perfekt für Anwendungen wie visuelle Kunst eignet. Zu den beliebten 3D-Verbunddruckmaterialien gehören Bronze, Kupfer, Stahl und Eisen, die alle schwerer sind als andere Materialien. Um dieses Material drucken zu können, benötigt man zusätzlich noch eine abriebfeste Düse. Eine Nachbearbeitung der bedruckten Teile ist notwendig, um das gewünschte metallische Aussehen zu erhalten.

EIGENSCHAFTEN VON METALL FILAMENT

• Drucktemperatur: 205 ± 15 °C
• Druckbett Temperatur: 50 ± 10 °C
• Druckbett Haftung: Glas, Blue Tape, PEI, Klebestift
• Stärke: mittel
• Haltbarkeit: hoch
• Flexibilität: niedrig
• Löslich: nein
• Schwierigkeitsgrad: hoch