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Auf den Spuren der 3D-Druck-Materialien – Teil 1 : Kunststoffe

Um Objekte herzustellen ist es wichtig, die verschiedenen Materialien und Komponenten zu kennen… 3Dnatives erklärt Ihnen nicht nur die verschiedenen 3D-Druck Technologien, sondern auch alle Materialien, die den Kern dieser 3D-Technologien darstellen: Kunststoffe, Metalle, organische Materialien und Keramik.

Heute beschäftigen wir uns mit den zum 3D-Druck am häufigsten verwendeten Materialien – die Kunststoffe.

ABS

Dieses Material ist beispielsweise Grundlage der Lego-Steine, Basis zahlreicher Gehäuse und Verkleidungen von Geräten und Gegenständen und wird sehr häufig für Autokarosserien oder Haushaltsgeräte verwendet. Es gehört zur Familie der Thermoplaste, und enthält zusätzlich auf Polybutadien basierende Elastomere, die das Material nachgiebig und stoßfest machen.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist ein spezieller Kunststoff aus der Gruppe der Polymere und ideal zum 3D-Druck geeignet. Die Schmelztemperatur liegt zwischen 200 und 250°C und es hält Temperaturen von -20 bis +80°C stand. ABS-Materialien sind sehr belastbar, ermöglichen eine glatte Oberfläche, sind wiederverwertbar und können durch chemische Verfahren geglättet werden. Es ist jedoch nicht biologisch abbaubar und erfordert eine beheizte Bauplattform, um ein Ablösen der Teile von der Plattform zu verhindern.

ABS wird hauptsächlich bei dem Verfahren der Schmelzschichtung (FDM) verwendet und ist somit mit den meisten privaten Desktop-Druckern verwendbar, wie dem Replicator 2 von Makerbot oder den Ultimaker. Eine Abwandlung des ABS in flüssiger Form wird zudem zum 3D-Druck durch SLA und PolyJet verwendet.

PLA

Im Gegensatz zu ABS ist dieses Polymer (Polylactid oder auch Polymilchsäure) biologisch abbaubar, da es auf dem nachwachsenden Rohstoff Maisstärke basiert. Einer seiner wichtigsten Eigenschaften ist die Tatsache, dass es sich beim Abkühlen kaum verformt oder zusammenzieht, weshalb man detailreichere Formen mit einer höheren Präzision erhält. Eine beheizte Plattform beim FDM-3D-Druck ist bei diesem Material nicht zwingend notwendig. Da PLA nicht giftig ist, wird es oft zur Herstellung von Produkten verwendet, die mit Lebensmittel in Berührung kommen. Der Druckkopf sollte dabei jedoch immer aus rostfreiem Stahl bestehen.

Gegenüber ABS ist das PLA etwas schwieriger zu handhaben, da es sehr schnell abkühlt und aushärtet. In Kontakt mit Wasser können zudem Materialschäden auftreten und es kann eventuell abfärben. Trotzdem wird dieses, häufig lichtdurchlässige Material mit Druckermodellen wie dem Replicator 2 und dem CubeX verwendet und erlaubt jegliche Oberflächenverarbeitung in mehreren Farben.

Polyamid

Bauteile aus Polyamid werden häufig auf Basis eines feinen, puderförmigen und weißen Granulats durch das Verfahren des selektiven Lasersinterns (SLS) hergestellt. Jedoch gibt es auch Materialien aus der Familie der Polyamide, die in Form eines Filamentes zum 3D-Druck durch Schmelzschichtung (FDM) verwendet werden.

Dank ihrer biologischen Verträglichkeit können Polyamide, genau wie PLA, zur Herstellung von Produkten mit Lebensmittelkontakt (außer alkoholhaltige) verwendet werden. Im Gegensatz zu den Materialien PLA und ABS, lassen sich durch Polyamide glatte Oberflächen ohne Rillenstruktur herstellen.

Da dieses Material aus teilkristallinen Strukturen besteht, bietet es eine Kombination aus guten mechanischen und chemischen Eigenschaften, wie Stabilität, Festigkeit, Flexibilität und Schlagfestigkeit. Dank dieser Vorzüge findet es eine viele Anwendungsmöglichkeiten, eine hohe Detailgenauigkeit und bietet eine gehobene Qualität. Polyamide kommen zum Beispiel bei der Herstellung von Getrieben, für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Robotik, für medizinische Prothesen oder für Spritzgießformen zum Einsatz.

Nylon

Nylon ist günstiger als ABS oder PLA und wird mehr und mehr im personellen 3D-Druck eingesetzt.

HIER finden Sie ausführliche Informationen über dieses Material.

Alumide

Bauteile aus Alumide bestehen aus seiner Kombination von Polyamid und Aluminium. Es liegt in Pulverform vor und wird durch das Verfahren des selektiven Lasersinterns (SLS) verarbeitet. Mit einer leicht porösen Oberfläche und einem leicht körnigen und sandigen Aussehen bietet dieses Material hohe Festigkeit und Temperaturbeständigkeit (bis zu 172°C), ist stoßfest und relativ flexibel. Es zeichnet sich zudem durch seine guten Nachbearbeitungsmöglichkeiten aus, wie Fräsen, Schleifen, Polieren oder Beschichten. Dies erlaubt es, dem Objekt einen metallischen Look zu verleihen.

Alumide werden zur Herstellung besonders steifer, komplexer und metallisch aussehender Modelle, Designartikel oder Funktionsbauteile in Kleinserien verwendet. Die angewandte Technologie bringt jedoch geringe geometrische Einschränkungen mit sich.

Harze

Harze können thermoplastisch oder thermohärtbar (durch Polymerisation) sein und bilden das Ausgangsmaterial verschiedener Techniken, wie der Stereolithografie (SLA) und des PolyJet-Verfahrens. Mit diesem Material lassen sich hochglänzende, matte, schwarze, weiße und sogar transparente Objekte erhalten. Letztere besitzen Einschränkungen in Ihrer Formgebung und ihrer Funktionalität, jedoch kann man sich auf die Qualität und die Ebenheit seiner Oberfläche sowie auf die Transparenz verlassen. In jedem Fall ist es möglich, die Oberfläche zu färben, sowie viele weitere Nachbehandlungen vorzunehmen.

Hochpräzise Harze werden von i.materialise angeboten und eignen sich ideal für Modelle kleinerer Größe (bis zu 100x100x100 mm), die eine präzise und detailreiche Form mit glänzender Oberfläche und ohne Rillen oder Unreinheiten erfordern. Die Farbe des Materials ist ein gebrochenes Weiß; die nachträgliche Färbung des Materials wird nicht empfohlen, da es hierdurch zu einem Detailverlust kommen kann.

Polypropylen

Bei Polypropylen handelt es sich um ein weiteres Thermoplast, häufig verwendet in der Automobilindustrie, für Einweg-Berufskleidung und für eine Reihe von Alltagsgegenständen. Polypropylen (kurz: PP) ist bekannt für seine Abrieb- und Stoßfestigkeit sowie für seine Starrheit und Flexibilität.

Nachteile dieses Materials sind seine schwache Temperaturbeständigkeit und seine Empfindlichkeit gegenüber UV-Strahlung. Mehrere Drucker-Hersteller haben aus diesem Grund Abwandlungen des Polypropylen entwickelt, um dessen physikalische und mechanische Eigenschaften zu verbessern.

Man findet hier zum Beispiel die Serie der Materialien VisiJet von 3D Systems, wie das VisiJet Flex (hohe Flexibilität) oder das VisiJet HiTemp (hohe Steifigkeit und erhöhte Hitze- und Feuchtigkeitsbeständigkeit von bis zu 130°C). Ein weiteres Beispiel ist die Serie DurusWhite des Herstellers Objet. Auch EnvisionTEC bietet das polypropylenähnliches Material LS600 zur Herstellung hochpräziser Bauteile an.

Kunststoffverbindungen

In einem vorherigen Artikel erklärt 3Dnatives Ihnen die Technologie des PolyJettings und die dazu verwendeten Verbundmaterialien, auch Digital Materials genannt. Hiermit kann man leistunsfähige Prototypen erstellen, die dem Endprodukt und seinen Eigenschaften (Tempraturbeständigkeit, Biokompatibilität, Steifigkeit oder Flexibilität) sehr nahe kommt und mehrfarbig sein kann.

Gleichzeitig hat das Unternehmen Z Corporation (von 3D Systems aufgekauft) eine Technologie, basierend auf herkömmlichem Druckerpapier entwickelt, die dem 2D-Druck ähnelt und einen hochauflösenden Druck mit mehr als 390.000 Farbtönen ermöglicht. Der Drucker wandelt jede Farbe aus dem RGB-Farbraum (Rot, Grün, Blau) zum Druck in einen CMYK-Farbwert (Zyan, Magenta, Gelb, Schwarz) um. Die Software ZEdit erlaubt es, den 3D-Dateien Farben und bunte Texturen hinzuzufügen. Um Kosten zu sparen wird beim Druck nur die Kontur des Objektes gefärbt, die Mitte bleibt in der Regel weiß.

Um die Anforderungen an einen mehrfarbigen 3D-Druck zu erfüllen, wurden weitere Maschinen, wie der Replicator Dual Extruder von Makerbot oder der CubeX Duo sowie der CubeX Trio von Cubify (ABS und PLA in 18 verschiedene Farben verfügbar) entwickelt. Zur Herstellung transparenter Teile auf der anderen Seite, hat 3D Systems an der Entwicklung weiterer Materialien für die Technologien SLA, SLS und DLP gearbeitet, und bietet zum Beispiel Accuera ClearVue, Accura Peak (lichtundurchlässiger) und VisiJet Clear an.

Der CubeX Trio in Aktion:

Neben der Farbe besitzen Verbundmaterialien den Vorteil, dass sie die Herstellung von Modellen mit verbesserten Eigenschaften ermöglichen. So bietet EnvisionTEC beispielsweise die beiden bis zu 140°C temperaturbeständigen Materialien HTM140 und HTM140IV an, wohingegen das RGD525 von Objet nur Temperaturen von 67 bis 80°C standhält. Das iFlex 500, ebenfalls von EnvisionTEC erlaubt die Nachbildung mechanischer Eigenschaften, wie das Aussehen und das Gefühl von Gummi. Objet hingegen bietet mit seiner Serie Tango gummiähnliche Materialien mit enormer Biegsamkeit an (TangoGray, TangoBlack, TangoPlus und TangoBlackPlus).

Kunststoffe als Stützmaterialien

Auch lösliche Kunststoffe können zum 3D-Druck verwendet werden und dienen oft als Stützmaterial, welches für komplexe Formen erforderlich ist und nach dem Druck leicht entfernt werden kann. Die zur Zeit am häufigsten verwendeten löslichen Kunststoffe sind die Materialien HIPS (High Impact Polystyrene) und PVA (Polyvinylacetat). Diese können in Wasser oder mittels der Chemikalie d-Limonen nachträglich wieder aufgelöst werden.

kunststoffe

Blaues Bauteil mit weißem Stützmaterial.

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Über alexander

Nach meinem Abschluss als Bachelor of Science in Wirtschaftswissenchaften in Deutschland suchte ich den Weg ins Ausland, um mich neuen Herausforderungen zu stellen. Als International Business & Economics Masterstudent an der Universität Pavia, Italien, bin ich seit Juli 2016 Teil des 3Dnatives Team. Das Interesse für den 3D-Druck entwickelte ich, als ich erfahren habe, welche unglaublichen Möglichkeiten hinter dieser technologischen Revolution stecken und dass das volle Potential noch lange nicht ausgeschöpft ist. Diese Entwicklung zu verfolgen und aktiv mitzugestalten ist sehr aufregend. Neben meinen Interessen für Technik und Wirtschaft bin ich großer Film- und Sportfan.