Welches 3D-Druck Filament eignet sich für Ihre Anwendungszwecke?

Das Fused Deposition Modeling (FDM/FFF) ist aufgrund seiner einfachen Handhabung, Zugänglichkeit und Leistungsfähigkeit eines der am häufigsten verwendeten 3D-Druckverfahren auf dem Markt. Die Technologie ist inzwischen mit einer Vielzahl von Thermoplasten kompatibel, d. h. Materialien, die unter Hitzeeinwirkung erweichen können, aber nach dem Abkühlen wieder ihre ursprüngliche Form annehmen. Damit das Material vom 3D-Drucker extrudiert werden kann, werden diese Thermoplaste in ein Filament umgewandelt, welches dann vom Extruder angetrieben und geschmolzen wird. Heutzutage können die meisten industriellen Kunststoffe zu einem Filament aufbereitet werden, wodurch sich das Feld der Möglichkeiten vergrößert. Aber wie wählen Sie Ihr 3D-Druck-Filament aus? Worauf sollten Sie achten?

Bevor wir Ihnen einen Überblick über die verschiedenen Filamente für die additive Fertigung geben können, ist es zunächst wichtig zu verstehen, wie Kunststoffe klassifiziert werden. Denn es gibt so genannte amorphe oder teilkristalline Kunststoffe: Diese definieren die intermolekulare Struktur des Polymers. Also wie es sich verhält, wenn es nach der Verschmelzung erstarrt. Insbesondere bei amorphen Kunststoffen sind die Molekülketten unregelmäßig ineinander angeordnet. Im Gegensatz zu teilkristallinen Kunstoffen, bei welchen sich Parallelbündelungen oder Faltungen in den Ketten ergeben – sogenannte Kristalle – wodurch eine dichte Anordnung der Moleküle entsteht. Genau daraus ergeben sich schließlich die unterschiedlichen Eigenschaften; amorphe Materialien sind z. B. generell transparenter und haben eine geringere Dimensionsstabilität. Außerdem bestimmt auch die Schmelztemperatur welcher Familie der Kunststoff angehört. Standardkunststoffe haben eine niedrigere Temperatur als die sogenannten technischen Materialien. Hochleistungspolymere hingegen erfordern ein fortschrittlicheres Wärmemanagement, mit Schmelztemperaturen nahe 300°C.

FDM zählt zu den beliebtesten 3D-Druck Verfahren und ist mit Kunststoff-Filamenten kompatibel.

Standard-3D-Drucker-Filamente

PLA

PLA, oder Polymilchsäure, ist ein teilkristallines Material, das aus nachwachsenden Rohstoffen – meist Maisstärke – gewonnen wird. Im Gegensatz zu den meisten Kunststoffen aus der Erdölindustrie gilt PLA als umweltfreundlicher, weil es unter den richtigen Bedingungen biologisch abbaubar ist. Es handelt sich dabei um ein sehr einfach zu verwendendes 3D-Druck-Filament, weshalb es bei Anwendern sehr beliebt ist. Außerdem ist es für den Kontakt mit Lebensmitteln qualifiziert; die Extrusionstemperatur liegt bei 180°C. PLA hat eine gute geometrische Stabilität und zeichnet sich dadurch aus nicht verzugsanfällig zu sein. Das Filament wird hauptsächlich für den Prototypenbau, den Werkzeugbau, dekorative Teile oder im medizinischen Bereich eingesetzt. PLA ist in einer Vielzahl von Farben erhältlich und wird zudem häufig in Verbundwerkstoffen verwendet.

Polypropylen

PP ist mitunter eines der am häufigsten verwendeten Materialien im Kunststoffspritzguss. Es ist bekannt für seine Leichtigkeit, Beständigkeit gegen Chemikalien, Ermüdung und verfügt über eine gute elektrische Isolierung. Polypropylen findet sich auch als 3D-Drucker-Filament und zeichnet sich durch eine gute Schlagfestigkeit, Gasdichtigkeit und Halbsteifigkeit aus. Sie sollten jedoch beachten, dass das Filament ziemlich schwierig zu drucken ist, weil es nicht auf der Bauplatte haftet. PP hat sehr präzise Schmelzpunkte, weshalb ein ausgezeichnetes Wärmemanagement zwingend notwendig ist. In Bezug auf die Anwendungen wird PP-Filament am besten für Verpackungen, Klammern und Verschlüsse, Flüssigkeitsbehälter uvm. verwendet.

Ein mit PP 3D-gedrucktes Teil (Bildnachweis: Materialise)

ABS, ein beliebtes 3D-Druck-Filament

Bei diesem Filament handel es sich um eine amorphe Struktur: ABS ist ein Filament, das für seine Beständigkeit gegen Tieftemperaturschocks aber auch für seine Leichtigkeit bekannt ist. Es ist deshalb nicht immer ganz so einfach, das Material einer Kategorie zuzuordnen: Es wird manchmal zu den technischen Materialien gezählt, weil es weniger leicht zu verarbeiten ist als z.B. PLA. Beim 3D-Druck unterliegt es einer Verformung, welche den Einsatz einer Heizplatte erfordert. Die Eigenschaften von ABS machen es zu einem idealen Material für die Herstellung von Funktionsprototypen, häufig verwendeten Werkzeugteilen und kann außerdem zur Herstellung von Formen verwendet werden. ABS ist nach wie vor ein erschwingliches 3D-Druck-Filament, mit einem breiten Angebot am Filament-Markt.

Technische Filamente

Nylon

Nylon, auch bekannt als Polyamid (PA), ist auf dem Markt der additiven Fertigung als Pulver für die SLS-Technologie weiter verbreitet. Es kann jedoch auch als Filament mit 6 Kohlenstoffatomen erworben werden und trägt dementsprechend den Namen PA6. Ähnlich wie ABS, benötigt auch PA6, auf Grund seiner schlechten Haftung, eine Heizplatte. PA6 ist bekannt für seine Schlag- und Abriebfestigkeit sowie für seine Flexibilität. Das Material hat eine relativ lange Lebensdauer, eignet sich ideal zur Herstellung von Teilen wie Scharnieren, Maschinenkomponenten und Werkzeugen. Es kann zudem mit Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkt werden. Beachten Sie, dass Nylon ein feuchtigkeitsabsorbierendes Material ist, daher ist die Lagerung an einem trockenen Ort essentiell.

Die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit ist bei PA6 entscheidend (Bildnachweis: Sharebot)

PET, ein eher technisches Filament

PET ist in der Industrie ein bekanntes Material, welches beispielsweise zur Herstellung von Kunststoffflaschen zum Einsatz kommt. Im 3D-Druck ist dieses unter PETG bekannt, das G steht für den Zusatz von Glykol, was die Sprödigkeit des Kunststoffes verringert. PETG ist für seine Transparenz und seine Verträglichkeit mit Lebensmitteln bekannt. Es werden daher viele Verpackungen und Behälter mit PETG gedruckt. Das Material ist eine gute Alternative zu PLA oder ABS.

POM

Bei Polyoxymethylen, kurz POM handelt es sich um ein teilkristallines Material, welches für den 3D-Druck immer beliebter wird. Es hat hervorragende chemische Eigenschaften, ist hitze-, schlag- und abriebfest und verfügt über gute Gleiteigenschaften. POM kann für den 3D-Druck von einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, z. B. für Rucksackschnallen und Komponenten, welche über einen längeren Zeitraum hitzebeständig sein müssen, sowie Zahnräder. Jedoch ist es auch ein Filament, das recht schwierig zu drucken ist, da es ein gutes Wärmemanagement erfordert – Platte, Extruder und Kammer. Bitte beachten Sie außerdem, dass es im Vergleich zu Materialien wie PLA oder ABS nur wenige Hersteller für diese Art von 3D-Druck-Filament gibt.

Auch POM wird im 3D-Druck eingesetzt (Bildnachweis: POM)

Polycarbonat, ein amorphes 3D-Druck-Filament

Polycarbonat (PC) wird gerne wegen seiner Festigkeit und Transparenz verwendet. Es ist sicherlich kein einfach zu druckendes Thermoplast, da es höhere Extrusionstemperaturen und eine Heizplatte erfordert. Das Material ist besonders in der optischen Industrie beliebt, da es eine geringere Dichte als Glas hat und Temperaturen von -150°C bis 140°C standhält. Typischerweise können Schutzscheiben oder optische Teile mit Polycarbonat 3D-gedruckt werden. Auf jeden Fall findet sich dieses 3D-Drucker-Filament immer häufiger im Angebot der Hersteller.

Hochleistungsthermoplaste (HPP)

Diese letzte Kategorie von Polymeren ist bekanntermaßen am anspruchsvollsten: Die Thermoplaste, die diese bilden, erfordern hohe Schmelztemperaturen und haben Eigenschaften, die denen bestimmter Metalle gleicht. In der additiven Fertigung sind dies Filamente, welche eine hohe Extrusionstemperatur, eine Heizplatte und einen geschlossenen Druckraum benötigen. Das Wärmemanagement ist für diese Art von Material also entscheidend.

HPP sind anspruchsvolle Materialien, die ein hervorragendes Wärmemanagement erfordern (Bildnachweis: 3DGence)

Teilkristalline HPP

PEEK ist wahrscheinlich das gängigste 3D-Druck-Filament in dieser Kategorie. Das Material gehört zur PAEK-Familie und benötigt eine Extrusionstemperatur von ca. 400°C, eine Platte, die 230°C erreichen kann, und einen auf 120°C beheizten Druckraum. PEEK ist bekannt für sein Gewichts-/Festigkeitsverhältnis und kann hohen Temperaturen standhalten. Es kann zudem steril gehalten werden, was es zum idealen Material für den Druck von maßgeschneiderten Implantaten. Es ist sicherlich ein 3D-Drucker-Filament, welches nach wie vor anspruchsvoll ist, die Beherrschung des 3D-Druckverfahrens voraussetzt und noch recht teuer ist.

PPS ist ebenfalls ein hochleistungsfähiger teilkristalliner Thermoplast, der für seine chemische Beständigkeit und mechanischen Eigenschaften bekannt ist. Es wird hauptsächlich in der Automobil-, Öl- & Gas- und Elektronikindustrie eingesetzt. Seine Extrusionstemperatur liegt bei rund 300°C; außerdem wird eine Heizplatte und eine geschlossene Kammer benötigt.

PEEK wird häufig für den 3D-Druck kundenspezifischer Implantate verwendet (Bildnachweis: FossiLabs)

Amorphe Hochtemperatur-Filamente

In dieser Kategorie können wir als erstes PEI nennen, ein Filament, das von SABIC unter der Marke ULTEM vermarktet wird. Es ist preiswerter als PEEK und erfüllt die Brand-/Rauchnormen, was es zu einem idealen Material für die Luft- und Raumfahrtindustrie macht. PEI ist außerdem beständig gegen Automobilflüssigkeiten, Kohlenwasserstoffe, Alkohole und wässrige Lösungen. Es kann sterilisiert werden und ist lebensmittelverträglich.

Schließlich können wir hier noch die Familie der Sulfone erwähnen, insbesondere PPSU und PSU. Dies sind sehr interessante Thermoplaste in Bezug auf die thermischen Eigenschaften und das Brand-/Rauchverhalten. Außerdem haben sie gute elektrische Isolations- und dielektrische Eigenschaften. Sie stellen beliebte Werkstoffe in der Transportindustrie dar, sei es im Schienenverkehr, in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbereich.

Bildnachweis : Pollen AM

Verbundwerkstoffe als Filamente für den 3D-Druck

Schließlich ist es wichtig, Verbundwerkstoffe und elastische Materialien zu erwähnen. Bei Verbundwerkstoffen handelt es sich um Materialien, die aus einer Matrix – PLA, Nylon, Polycarbonat usw. – bestehen, die durch Fasern, meist aus Kohlenstoff, verstärkt wird. Diese können auch mit Glas, Aramid, etc. verstärkt werden. Dadurch erhöht sich die Festigkeit des Filaments und gleichzeitig wird das Gewicht optimiert. Es gibt inzwischen verschiedene Methoden, um die Fasern zu platzieren.

Schließlich finden sich auch flexible Filamente wie TPU im FDM-Materialangebot. Bei diesen handelt es sich um flexible Materialien, die für ihre Verschleiß- und Stoßfestigkeit bekannt sind. Sie sind besonders interessant bei der Herstellung von Klammern oder orthopädischen Einlagen, sind jedoch nicht sehr hitzebeständig.

TPU ist ein flexibles Material (Bildnachweis: ALSIMA)

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*Titelbildnachweis : AGRU