PLA als Material für den 3D-Druck
PLA (Polymilchsäure) ist einer der am häufigsten verwendeten Kunststoffe im Bereich der additiven Fertigung. Er wurde 1930 von dem Chemiker Wallace Carothers, dem Entwickler von Nylon und Neopren, erfunden. PLA kann in Form von Filamenten oder Pellets für Desktop-3D-Drucker oder industriellere Lösungen verwendet werden. Im Gegensatz zu vielen anderen auf dem Markt erhältlichen Materialien ist PLA ein nachhaltigerer Thermoplast, da es nicht aus endlichen Ressourcen wie Erdöl, sondern aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen wird. Aufgrund seiner umweltfreundlicheren Herkunft ist dieses Material seit seinen Anfängen im Bereich des 3D-Drucks sehr beliebt. Es wird inzwischen in einer Vielzahl von Branchen und Anwendungen eingesetzt. In diesem Leitfaden erfahren Sie alles über dieses Material, einschließlich seiner Eigenschaften, der einfachen Druckbarkeit, einiger Anwendungen sowie der wichtigsten Hersteller auf dem Markt.
Herstellung und Materialeigenschaften
PLA-Kunststoff wird aus organischen und erneuerbaren Ressourcen wie Maisstärke, Tapiokawurzeln oder Zuckerrohr gewonnen. Die Herstellung von PLA wird durch die Fermentierung von Kohlenhydratquellen wie diesen ermöglicht. Dazu wird das Naturprodukt gemahlen, um die Stärke aus dem Mais abzutrennen, und mit Säure- oder Milchsäuremonomeren vermischt. Mit dieser Mischung wird die Stärke in Dextrose (D-Glucose) oder Maiszucker aufgespalten. Durch die Fermentation der Glukose entsteht schließlich L-Milchsäure, der Baustein von PLA. So entsteht ein umweltfreundliches und erneuerbares Material, das je nach Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen biologisch abbaubar sein kann.
PLA wird aus erneuerbaren Materialien wie Maisstärke hergestellt
Der letztgenannte Aspekt der biologischen Abbaubarkeit stand in den letzten Jahren im Mittelpunkt der Debatte, wobei die Nachhaltigkeit des Materials und seine Umweltauswirkungen in Frage gestellt wurden. Tatsächlich ist die Frage, wie biologisch abbaubar PLA ist, nicht so einfach zu beantworten, wie es scheint. Obwohl der Kunststoff aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen wird, hängt die Möglichkeit davon ab, von lebenden Organismen abgebaut zu werden, von der Zersetzung unter bestimmten aeroben Bedingungen ab. PLA kann schnell abgebaut werden, wenn es industriellen Kompostierungsverfahren unterzogen wird. Jedoch kann es bis zu 80 Jahre dauern, bis es sich in der freien Natur zersetzt und zu einem weiteren Plastikschadstoff wird.
Andererseits gilt PLA als nicht-newtonsche pseudoplastische Flüssigkeit. Das bedeutet, dass sich die Viskosität (Fließwiderstand) in Abhängigkeit von der Belastung ändert. Daher hat es keinen definierten und konstanten Viskositätswert, sondern variiert je nach den Herstellungsbedingungen. Genauer gesagt handelt es sich bei PLA um ein Material mit geringer Scherkraft, was bedeutet, dass die Viskosität mit der angelegten Spannung abnimmt. Um mehr über die Eigenschaften zu erfahren, werfen wir einen Blick auf die Benutzerfreundlichkeit und das Verhalten bei der Verwendung als 3D-Druckmaterial.
3D-Druck mit PLA-Filament
PLA ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien im FDM-3D-Druck, insbesondere für diejenigen, die ihre ersten Schritte in der 3D-Industrie machen, da es sehr einfach ist, damit zu drucken. Es liegt in der Regel in Form von Filamenten vor, kann aber auch als Pellets oder Granulat verwendet werden. Obwohl sich die Materialzufuhr und das Schmelzsystem je nach PLA-Format ändern (durch eine Filamentzufuhr oder einen Trichter für Pellets), unterscheiden sich die Eigenschaften des Materials und der fertigen Teile nicht von einem Typ zum anderen. In diesem Artikel konzentrieren wir uns jedoch mehr auf PLA in Form von Filamenten, da dies die häufigste Form ist, in der dieser Thermoplast vorkommt.
PLA ist aufgrund seiner einfachen Verwendung eines der beliebtesten Materialien in der Branche (Bild: BMI Lab)
Was den Herstellungsprozess selbst angeht, so gilt PLA als teilkristallines Polymer, da es eine Schmelztemperatur von 170-180 °C hat, was im Vergleich zu ABS-Filament, das bis zu 260 °C erreichen kann, relativ niedrig ist. Dies macht eine beheizte Schale und eine geschlossene Druckkammer überflüssig. Gleichzeitig bietet es eine gute Leistung, indem es eine hohe Druckgeschwindigkeit mit ziemlich viel Präzision kombiniert, vorausgesetzt, das Material wird richtig gekühlt. Außerdem weisen die gedruckten Teile eine sehr geringe Verformbarkeit auf. Es sei darauf hingewiesen, dass PLA eine höhere Viskosität als andere Standardthermoplaste hat, was bei unvorsichtiger Handhabung zu einer Verstopfung der Druckköpfe führen kann. Diese Filamente haben eine Haltbarkeit von mindestens 1 Jahr, wenn sie bei 15-25 °C gelagert werden, und sind somit gut lagerfähig. Vergleicht man PLA mit ABS, einem anderen der am häufigsten verwendeten Thermoplaste für den FDM-3D-Druck, so stellt man fest, dass PLA im Allgemeinen nicht die gleiche Widerstandsfähigkeit und Flexibilität aufweist wie ABS. Dennoch ist es immer empfehlenswert, PLA für Teile zu verwenden, die keine große mechanische Komplexität aufweisen, da es viel einfacher zu verarbeiten ist
Was die Nachbehandlung anbelangt, so sind für PLA in der Regel keine komplexen Nachbehandlungsschritte erforderlich. Beim Entfernen der Teile kann es zu Problemen mit der Haftung der ersten Druckschicht kommen. Es wird daher empfohlen, spezielle Klebstoffe auf der Druckplatte zu verwenden, um die Entnahme der Teile zu erleichtern. Um die Oberflächebeschaffenheit der Teile zu verbessern, kann der Benutzer sie abschleifen und bei Bedarf mit Aceton behandeln. Eventuell verwendete Halterungen lassen sich leicht mit einer Zange entfernen oder lösen sich auf, wenn lösliche Halterungen verwendet wurden.
Wichtigste Anwendungen
Als wärmeschrumpfendes Material ist PLA ein zugänglicher und einfach zu verwendender Kunststoff für die 3D-Druck Community. Dies ist daher das Hauptanwendungsgebiet. Darüber hinaus machen die Eigenschaften die gedruckten Teile zerbrechlich, schwach und empfindlich gegenüber Sonne und hohen Temperaturen. Aus diesem Grund wird es häufig von Anfängern verwendet, vor allem für die Herstellung von dekorativen Elementen, Gadgets und Spielzeug.
PLA ist jedoch nicht auf die Welt der Bastler beschränkt. Auch viele Industriezweige nutzen diesen thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel für das Prototyping. Auf diese Weise sparen die Unternehmen viel Geld für Arbeitsstunden und Material und fördern gleichzeitig die Kreativität ihrer F&E-Abteilungen. Darüber hinaus können auch Sektoren wie die Automobilindustrie von PLA-Filamenten profitieren, auch wenn dies nicht die erste Option ist. In diesem Fall kann es nützlich sein, Endverkleidungen für Autos oder sogar den Kunststoff Ihrer Armaturenbretter herzustellen.
PLA kann sowohl für „Maker“ als auch für anspruchsvollere Anwendungen verwendet werden (Bild: Markforged)
Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass PLA eine niedrige Glasübergangstemperatur hat und daher für Anwendungen, die eine höhere Temperaturbeständigkeit erfordern, nicht geeignet ist. Branchen wie die Lebensmittelindustrie sollten diesen thermoplastischen Kunststoff beispielsweise nicht für die Herstellung von Bechern mit heißen Flüssigkeiten verwenden.
Hersteller und Preise des Materials
Als einer der am weitesten verbreiteten Thermoplaste für den 3D-Druck in der FDM-Technologie hat in der Regel fast jeder Hersteller PLA-Filamente oder -Granulat in seinem Sortiment. Zu den vielen Unternehmen, die diese Art von Material anbieten, gehören zum Beispiel Polymaker, Recreus, Smart Materials oder das Chemieunternehmen BASF. Neben den Standardfilamenten hat Polymaker auch das sogenannte „PolyTerra™ PLA“ entwickelt, ein umweltfreundliches Filament, das die Wiederaufforstung des Planeten zum Ziel hat. Erwähnenswert ist auch, dass die Hersteller von FDM-3D-Druckern oft auch ihre eigenen thermoplastischen Filamente anbieten. So gibt es viele PLA-Hersteller wie UltiMaker, Stratasys, Prusa oder Zortrax, um nur einige zu nennen.
Die Preise für PLA-Filamente können derzeit je nach den gewünschten Farben und Eigenschaften variieren. Hybride Filamente wie Holzfilamente oder sogar solche, die mit Verbundfasern verstärkt sind, treiben den Preis deutlich in die Höhe. Dennoch liegt der Preis für ein Standardfilament in der Regel zwischen 20 und 70 € pro Kilogramm. Schließlich gibt es, wie oben erwähnt, auch 3D-Drucker, die mit Pellets arbeiten können, was den Preis des Materials erheblich senkt.
Bild: Polymaker
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