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

Wenn Sie mit dem Einsatz der 3D-Drucktechnologie beginnen, ist es wichtig zu wissen, mit welchem Material Sie arbeiten möchten und welche Eigenschaften Sie dem erstellten Objekt verleihen wollen. Die Wahl des richtigen Druckmaterials kann komplizierter sein, als man denkt, insbesondere für Kunststoffe.

Kunststoffe sind die gängigsten 3D-Druckmaterialien, aber was wissen wir wirklich über sie? Worin besteht der Unterschied zwischen den einzelnen Kunststoffen? Jede 3D-Technologie basiert auf verschiedenen Materialtypen: Die Schmelzschichtung basiert auf der Verwendung von Filamenten, die Stereolithographie verwendet flüssiges Photopolymerharze und das Lasersintern erfordert thermoplastische Pulver.

Um die Welt der Kunststoffe im 3D-Druck besser zu verstehen hat 3Dnatives einen vollständigen Leitfaden erstellt, der Ihnen hilft, jedes Material zu verstehen, da es deutlich mehr Möglichkeiten wie Metall oder organische Materialien gibt.

Kunststoffe im 3D-Druck: FDM/FFF

Schmelzschichttechnologien sind die bekanntesten Technologien für den Einsatz von Kunststoffen. Sie haben die Form einer Filamentrolle, welche auf dem 3D-Drucker platziert wird. Es gibt viele verschiedenen Arten von Kunststoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften für jedes Projekt.

ABS

Es ist das Flaggschiffmaterial von Legosteinen, welches auch in der Karosserie, bei Haushaltsgeräten und vielen Dachanwendungen weit verbreitet sind. ABS, d.h. Acrylnitril-Butadien-Styrol, ist der am häufigsten verwendete Kunststoff in der Industrie. Er gehört zu der Familie der Thermoplasten und hat eine Elastomerbasis auf Basis der Polybutadien, welche ihn flexibler und stoßfester machen.

ABS hat eine Drucktemperatur zwischen 230°C und 160°C und kann sehr niedrige (-20°C) und sehr hohe (80°C) Temperaturen vertragen. Zusätzlich zu seiner guten Festigkeit bietet dieses Material eine polierte Oberfläche, ist wiederverwendbar und kann durch chemische Prozesse (mit Aceton) geschweißt werden. Es ist jedoch nicht biologisch abbaubar und schrumpft im Kontakt mit Luft, weshalb die Druckplattform beheizt werden muss.

Wir empfehlen ABS bei einem 3D-Drucker mit geschlossenem Gehäuse zu verwenden, um die Partikelemission zu begrenzen, die beim Drucken freigesetzt werden können.

ABS wird hauptsächlich in der Schmelzschichttechnik (FDM) eingesetzt und ist daher für die meisten hauseigenen Drucker erhältlich. Darüber hinaus wird ein ABS-Derivat in flüssiger Form in den Prozessen SLA und PolyJet eingesetzt.

PLA

Polymilchsäure oder PLA ist im Gegensatz zu ABS biologisch abbaubar, da es aus nachwachsenden Rohstoffen (Maisstärke) hergestellt wird. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist die geringe Schrumpfung im 3D-Druck, weshalb beim Drucken keine Heizplatte benötigt wird. Die Drucktemperatur sollte nicht sehr hoch sein und zwischen 190°C und 230°C liegen.

PLA ist aufgrund seiner hohen Abkühl- und Aushärtegeschwindigkeit schwierig zu handhaben. Es kann auch bei Kontakt mit Wasser beschädigt und verfärbt werden. Dieses allgemein lichtdurchlässige Material wird jedoch von den meisten FDM-3D-Druckern verwendet und ist in einer Vielzahl von Farben erhältlich.

ASA

Technisch bekannt als Acrylnitril-Styrolacrylat hat dieses Material ähnliche Eigenschaften wie ABS, aber eine bessere Beständigkeit gegen UV-Strahlen. Beim Drucken können dennoch einige Komplikationen auftreten, weshalb empfohlen wird, eine Heizplatte zu verwenden. Die Druckparameter sind denen von ABS sehr ähnlich – im Falle von ASA muss darauf geachtet werden, 3D-Drucker mit geschlossenem Gehäuse zu verwenden oder aufgrund von Styrolemissionen im Freien zu drucken.

PET

Polyethylenterephthalat, besser bekannt als PET, kommt hauptsächlich in Einwegflaschen aus Kunststoff vor. Es ist ein ideales Filament für Objekte, die für den Lebensmittelkontakt vorgesehen sind. Dabei ist es halbsteif und gut beständig. Um die besten Druckergebnisse zu erzielen ist es notwendig, Temperaturen von 75°C bis 90°C zu erreichen. Meistens als lichtdurchlässiges Filament vermarktet, gibt es verschiedene Varianten wie PETG, PETE und PETT. Es ist ein Filament, das beim Drucken keinen Geruch abgibt und zu 100% recycelbar ist.

PC oder Polycarbonat

Polycarbonat (PC) ist ein sehr widerstandsfähiges Material, welches für technische Anwendungen entwickelt wurde. Dieses Material ist in der Lage, hohen Temperature bis 150°C ohne Verformung zu widerstehen. Polycarbonat absorbiert Feuchtigkeit aus der Luft, was die Leistung und Druckfestigkeit beeinträchtigen kann. Daher sollte es in luftdichten Boxen gelagert werden.

Für den Druck sind sehr hohe Temperaturen erforderlich: Eine zu niedrige Temperatur oder zu viel Kühlung kann zur Trennung der Druckschichten führen. Die derzeit vorhandenen Polycarbonat-Filamente enthalten Additive, die es ermöglichen, das Filament bei niedrigeren Temperaturen zu drucken.

Flexible Materialien

Viele Arten von Filamenten sind heute auf dem Markt erhältlich und einer der erfolgreichsten ist das flexible Filament. Es ist vergleichbar mit PLA, wird aber auf Basis von TPE oder TPU hergestellt. Der Vorteil von diesem Filament ist, dass sie die Entwicklung von verformbaren Objekten ermöglichen, welche gerade in der Modebranche weit verbreitet sind.

Im Allgemeinen haben diese Kunststoffe die gleichen Druckeigenschaften wie PLA und können unterschiedliche Steifigkeitsgrade aufweisen. Es wird empfohlen zu überprüfen, ob der Extruder ausreicht, um eine Blockade der Maschine zu vermeiden.

Carbonfasern

Filamente mit Carbonfasern werden in der 3D-Druckindustrie immer beliebter, zumal sich auf diesem Material spezialisierte 3D-Drucker auf dem Markt entwickeln, wie die von Markforged. Der Erfolg liegt in der sehr hohen Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht des Druckobjektes gegenüber anderen Materialien.

Filamente mit diesen Eigenschaften beinhalten kleine Carbonfasern in einem Basismaterial, das aus PLA, PETG, Nylon, ABS oder Polycarbonat bestehen kann, wodurch die Eigenschaften der einzelnen Fasern verbessert werden. Die Druckparameter sind grundsätzlich die des Basismaterials, obwohl es wichtig ist, eine geeignete Maschine für den Druck zu haben, da die Carbonfasern dazu führen können, dass die Druckdüse verstopft.

Hybride Materialien

Es gibt verschiedene Arten von Materialien, die eine Basis wie PLA mit einem Pulver mischen, das ihnen eine andere Farbe oder Oberfläche verleiht. Es handelt sich um Filamente, die normalerweise zu 70% aus PLA und zu 30% aus Hybridmaterial bestehen. Auf dem heutigen Markt finden wir Filamente aus Bambus, Kork, Holz etc. Die Anwesenheit dieser Materialien verleiht dem Filament eine organischere Endstruktur.

Weiterhin gibt es Maschinen, die als Basis die FDM-Technologie nutzen, um Metall zu extrudieren, wie z.B. der neue Desktop-Metalldrucker, ist dies eine Technologie, die noch nicht jedem zugänglich ist. Colorfabb hat sein 3D-Metallfilament auf den Markt gebracht. Es hat die gleiche Basis wie die mit Holz erzeugten Filament, in diesem Fall werden jedoch metallische Pulver als Zusatz verwendet. Dadurch erhalten 3D-Druckobjete je nach gewähltem Metall eine andere Farbe: Kupfer, Bronze, Silber…

Schließlich gibt es unter den Hybridmaterialien Filamente, die felsige Materialien wie Zement, Ziegel oder Sand vermischen. Sie bieten für jedes Modell eine völlig andere Textur.

Lösliche Materialien

Mit löslichen Kunststoffen können Druckmedien – je nach Komplexität und Technologie des gewünschten Objektes – gedruckt und dann gelöst werden. Die am häuftigsten verwendeten löslichen Kunststoffe sind HIPS (High Impact Polystyrol) und PVA (Polyvinylalkhohol), die mit Limonen bzw. Wasser gelöst werden können. Es gibt auch BVOH-Filamente oder Butandiol- und Vinylalkohol-Copolymere, die im 3D-Doppelextrusionsdruck als wasserlösliche Träger sehr beliebt sind. Nach Expertenmeinung hat es eine bessere Löslichkeit als PVA und ist mit mehreren Materialien kompatibel.

Kunststoffe im 3D-Druck – SLA

Für Technologien wie SLA, DLP oder auch PolyJet werden flüssige, lichtempfindliche Harze zum Druck verwendet. Diese sind entweder thermoplastisch oder thermohärtbar (durch Polymerisation). Je nachdem, welches davon wir wählen ermöglichen sie eine matte oder glänzende Oberfläche der gedruckten Objekte. Von diesen Harzen bestehen die meisten aus den oben genannten Kunststoffen, jedoch in flüssiger Form.

Die Farbpalette dieser Technologie ist nicht sehr vielfältig. In der Regel gibt es sie in Weiß, Schwarz, Transparent und Rot, obwohl einige aktuelle Entwicklungen, wie die neuen Formlabs-Harze, eine deutliche Erweiterung dieser Palette versprechen. Was diese Materialien von denen der FDM-Technologie unterscheidet ist, dass es nicht möglich ist, Harze zu mischen, um unterschiedliche Ergebnisse zu erzielen. Daher gibt es keine „dualen Maschinen“, wie beispielsweise Doppelextruder. Der einzige Drucker, den wir kennen, ist die hybride Layer One-Maschine, welche SLA und FDM Technologie kombiniert. Der Einsatz von Harzen im 3D-Druck erfordert einen Nachbehandlungsprozess: Für das beste Ergebnis ist es notwendig, die Teile mit Isopropylalkohol zu reinigen.

Es gibt verschiedene Arten von Harzen die technischer sind, darunter die beliebtesten Festharze; flexible Harze, welche eine größere Modellverformung bieten; Gussteile, die in der Schmuckherstellung weit verbreitet sind; biokompatible Harze, die sich insbesondere auf den Dentalsektor und die Entwicklung von Zahnprothesen konzentrieren.

Kunststoffe im 3D-Druck – SLS

Die selektive Lasersintertechnologie verwendet Kunststoffpulver, um Objekte mit einem Laser zu erstellen, welcher die Partikel Schicht für Schicht verschmilzt. Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Materialien, die es ermöglichen, dass das hergestellte Objekt unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit, Flexibilität oder Textur aufweist.

Polyamide

Polymid-Objekte werden oft aus einem feinen, körnigen und weißen Pulver unter Verwendung der SLS-Technologie (Selective Laser Sintering) hergestellt, aber einige Familien dieses Materials, wie beispielsweise Nylon, sind in Form eines Filaments und werden mit der FDM-Technologie genutzt.

Dank ihrer Biokompatibilität, wie z.B. PLA können Polyamide für Objekte mit Lebensmittelkontakt verwendet werden (außer solche, die Alkohol enthalten), und im Gegensatz zu PLA und ABS werden glattere Oberflächen ohne Welleneffekte erzielt.

Aus teilkristallinen Strukturen gefertigt stellt dieses Material einen guten Kompromiss zwischen mechanischen und chemischen Eigenschaften dar. Daher kommt auch seine Stabilität, Steifigkeit, Flexibilität und Schlagfestigkeit. Diese Vorteile führen zu einem breiten Anwendungsspektrum und einem hohen Detaillierungsgrad. Hochwertige Qualität, die beispielsweise bei der Herstellung von Zahnrädern, in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, in der Robotik, bei medizinischen Prothesen oder Spritzgussformen eingesetzt wird.

Aluminium®

Aluminiumobjekte werden aus einer Kombination von Polyamid und Aluminiumpulver im selektiven Lasersintern (SLS) hergestellt. Mit einer leicht porösen Oberfläche und einem sandigen, körnigen Aussehen bietet dieses Material eine hohe Festigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit (max. 172°C), sowie Stoßfestigkeit. In der Regel ist jedoch eine Nachbehandlung erforderlich, durch zum Beispiel Schleifen, Polieren, Beschichten und Fräsen.

Aluminium wird für komplexe Modelle, Designteile oder kleine Serien von Funktionsmodellen verwendet, die eine hohe Steifigkeit und ein aluminiumähnliches Aussehen erfordern. Die verwendete Technik beinhaltet schwache kaum Grenzen.

PP oder Polypropylen

Ein weiterer thermoplastischer Kunststoff, der in der Automobilindustrie, bei Verpackungen, Einweg-Arbeitskleidung und bei vielen Alltagsgegenständen weit verbreitet ist. Polypropylen (PP) ist bekannt für seine Abriebfestigkeit und Stoßdämpfung.

Einer der Nachteile ist die Tieftemperaturbeständigkeit und die Empfindlichkeit gegenüber UV-Strahlung, weshalb mehrere Druckhersteller abgeleitete Produkte dieses Materials, den Simili-Polypropylenen, entwickelt haben, um seine physikalischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern.

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