3D-Druckmaterialien

Welche Materialien kann ein 3D-Drucker drucken?

Während sich das Einsatzgebiet von 3D-Druck vergrößert, wächst damit auch die Auswahl an verschiedenen Druckmaterialien. In der Industrie kommen vor allem Kunststoffe und Metalle zur Herstellung von Fertigungswerkzeugen (Rapid Tooling) oder Endbauteilen (Rapid Manufacturing) zum Einsatz. Viele Hobby-Anwender nutzen ebenfalls Filamente aus Kunststoff, um Schmuck oder Dekoelemente zu fertigen. Daneben erschließen Materialien wie Keramik, Sand, Glas oder Beton weitere Anwendungsgebiete von der Fertigung von Gussformen bis zum Druck eines ganzen Wohnhauses. Und damit ist das Potenzial von 3D-Druck noch lange nicht erschöpft: Auch organische Substanzen, Lebensmittel und viele weitere Materialien kommen zum Einsatz, um aus einer Idee Schicht für Schicht ein reales Objekt zu fertigen.

Die wichtigsten Druckmaterialien sind:

• Bausubstanzen (Beton, Gips, Keramik, Sandstein, Ton)
• Kunststoff (z.B. ABS, HIPS, PA, PEEK, PETG, PLA, ULTEM etc.)
• Metall (z.B. Aluminium, Edelstahl, Gold, Kupfer, Nickel, Silber Titan)
• Organische Substanzen (Zellen, Lebensmittel)
• Papier
• Resin / Harz
• Wachs

Einige dieser Materialien stellen wir im Folgenden genauer vor.

3D-Druck mit Kunststoff

Für den 3D-Druck stehen unterschiedliche Kunststoffmaterialien mit jeweils spezifischen Eigenschaften zur Verfügung. Zum einen gibt es thermoplastische Kunststoffe. Diese können mehrfach verwendet, also geschmolzen und in die gewünschte Form gebracht werden. Dadurch unterscheiden sie sich von duroplastischen Kunststoffen, die mit der Aushärtung eine dauerhafte chemische Verbindung eingehen und so eine nicht mehr veränderbare Form bekommen. Kunststoffe sind als Filamente, in Pulver- und in flüssiger Form erhältlich.
Die am häufigsten mit Kunststoffmaterial verwendeten 3D-Druckverfahren sind Stereolithografie (SLA), selektives Lasersintern (SLS) und Schmelzschichtung (FFF).

ABS

Acrylnitril-Butadien-Styrol ist ein thermoplastischer Kunststoff und gehört zu den beliebtesten 3D-Druckmaterialien. Seine Eigenschaften machen ABS ideal für die Fertigung von Prototypen und Endprodukten. ABS wird hauptsächlich beim Fused Deposition Modeling (FDM) eingesetzt. In Pulverform eignet es sich jedoch auch für Stereolithografie (SLA) oder PolyJet. Für optimale Ergebnisse ist aufgrund der hohen Verarbeitungstemperatur von 220 bis 250 Grad ein Druckbett oder beheizter Druckraum zu empfehlen, der den Abkühlprozess reguliert und dadurch ungewollte Verformungen verhindert. Da beim Druck eine glatte, glänzende Oberfläche entsteht, ist je nach gewünschtem Endobjekt nur eine vergleichsweise geringe Nachbearbeitung nötig.

HIPS

Bei High Impact Polystyrene handelt es sich um einen Kunststoffwerkstoff mit Kautschuk-Anteil. Es kommt in der Lebensmittelindustrie ebenso zum Einsatz wie bei der Fertigung von Gehäusen für technische Geräte (Computer, Fernseher, Kühlschränke). Die Schmelztemperatur beträgt 235 Grad. Um mit HIPS zu drucken, ist eine beheizbare Druckplatte nötig. Alternativ kann dieses thermoplastische Polymer als Supportmaterial beim Druck mit ABS eingesetzt werden. Voraussetzung dafür ist ein 3D-Drucker mit zwei Extrudern. Weil HIPS im Gegensatz zu anderen Materialien chemisch löslich ist, kann die Stützstruktur auf diese Weise ganz einfach entfernt werden.

PA

Nylon bzw. Polyamid kommt bereits in einigen Branchen zur Anwendung und erobert mit seinen vielen praktischen Eigenschaften nun auch den 3D-Druck. Nylon gibt es sowohl in Pulverform für SLS-Druckverfahren als auch als Filament für FDM. Die Verarbeitungstemperatur liegt bei 250 Grad. Neben einem beheizten Druckbett oder Bauraum wird in der Regel auch ein Leim benötigt, um das Material auf der Druckplatte zu befestigen.

PEEK

Polyetheretherkton gehört zur Gruppe der synthetischen Polymere. Wegen seiner metallähnlichen Eigenschaften kommt PEEK als Hochleistungs-Polymer vor allem in anspruchsvollen Bereichen wie Automotive, Luft- und Raumfahrt sowie in der Chemieindustrie und der Medizin zum Einsatz. Es ist als Filament und in Pulverform erhältlich. Mit Verarbeitungstemperaturen von 260 bis 380 Grad ist es für den privaten Anwender weniger geeignet. Ähnlich wie beim ABS verhindert ein beheizter Bauraum Temperaturschwankungen während des Druckprozesses und sorgt für ein kontrolliertes Abkühlen der Werkstücke.

PETG

PETG ist eine Kombination aus dem aus der Flaschenherstellung bekannten Polyethylenterephthalat (PET) und Glycerol. Da es speziell für den 3D-Druck entwickelt wurde, ist es anderen Kunststoffmaterialien in mancher Hinsicht voraus. So hat es eine niedrigere Drucktemperatur und ist deutlich flexibler als ABS oder PLA. PETG eignet sich für die Fertigung mechanischer Teile und auch für wasserfeste Anwendungen.

PLA

Polymilchsäure (PLA) gehört ebenfalls zu den synthetischen Polymeren und wird aus erneuerbaren Quellen gewonnen, sodass es biokompatibel und recyclebar ist. Durch seine geringe Schmelztemperatur von 70 Grad und seine insgesamt sehr benutzerfreundliche Anwendung eignet es sich hervorragend für private Projekte.

Auch Metall eignet sich für den 3D-Druck, findet jedoch häufiger in der Industrie als im privaten Bereich Anwendung. Für die Fertigung von Metallobjekten kommen unter anderem Metall-Schmelzschichtung (vergleichbar mit FDM) und Selektives Laserschmelzen (SLM) als Druckverfahren zum Einsatz.

Aluminium

Aluminium vereint Leichtigkeit und Stabilität. Aus diesem vielseitigen Metall entstehen höchst leistungsfähige 3D-Objekte wie Gehäuse, Motorteile, Produktionswerkzeuge, Prototypen und Endbauteile für die Automobil- und Luftfahrtindustrie. Zur Optimierung bestimmter Eigenschaften wird Aluminium häufig als Legierung mit anderen Metallen eingesetzt.

Edelstahl

Legierungen aus Edelstahl verfügen über viele positive Eigenschaften, sodass sie auch für sensible Anwendungen im Lebensmittel- und Medizinbereich geeignet sind.

Titanium

Titanium punktet mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und ist damit ideal für die Fertigung komplexer Objekte zur Anwendung in anspruchsvollen Bereichen wie Medizin oder Luft- und Raumfahrt.

Resine sind flüssige Photopolymere, die unter UV-Licht aushärten. Druckverfahren wie SLA, DLP oder PolyJet nutzen flüssige Harze. Diese werden, ebenso wie Kunststoffmaterialien für FDM, in Thermoplaste und Duroplaste unterteilt. Anders als Filamente lassen sich Harze jedoch nicht untereinander mischen. Außerdem ist in den meisten Fällen eine Nachbearbeitung notwendig. Das Ergebnis sind dreidimensionale Werkstücke mit einer glatten, glänzenden oder matten Oberfläche. Die Eigenschaften eines Standardharzes sind vergleichbar mit denen von ABS. Inzwischen gibt es eine große Auswahl unterschiedlicher Harze mit spezifischen Eigenschaften, die sich für eine ganze Reihe von Anwendungsgebieten eignen, darunter die Fertigung von Konzeptionsmodellen oder die Herstellung von Gussformen für die Produktion von Prototypen.

Weitere Druckmaterialien

Auch Gips, Keramik, Sand, Beton und Glas hat die Industrie als Werkstoff für sich entdeckt. Die jeweils materialspezifischen Eigenschaften erlauben zahlreiche Anwendungsgebiete der fertigen 3D-Objekte von der Dental- bis zur Raumfahrtindustrie. Selbst große Bauprojekte lassen sich damit verwirklichen.
In der Hochleistungsindustrie kommen Verbundwerkstoffe mit zum Teil maßgeschneiderten Eigenschaften zum Einsatz. Hier sind vor allem hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und ein gutes Ermüdungsverhalten gefragt, um den Ansprüchen des Einsatzbereiches gerecht zu werden. Die Werkstoffe werden daher zum Beispiel mit Glas- oder Kohlenstofffaser verstärkt.

In der Lebensmittelindustrie wird der 3D-Druck verwendet, um individuelle Produkte herzustellen. So können Schokolade, Gummibärchen und Co. nach eigenen Wünschen zusammengestellt oder pürierte Kost in eine ansprechende Form gebracht werden.

Auswahl des richtigen Druckmaterials

Bei so vielen Möglichkeiten stellt sich die Frage: Wie wähle ich das richtige Druckmaterial aus? Zum Abschluss dieses Beitrags geben wir ein paar Tipps für den Kauf:

1. Leistungsanforderungen an das zu fertigende Objekt definieren, z.B.
   • geringe Anforderungen: Funktionsfähigkeit (formgerechte Prototypen und Modelle)
   • hohe Anforderungen: Langlebigkeit, Form- und Farbbeständigkeit (Endprodukte)
2. Materialeigenschaften auf Basis der Leistungsanforderungen definieren, z.B.
   • Zugfestigkeit: Widerstand gegen Brechen unter Spannung (Bruchgrenze
   • Duktilität: permanente Verformung durch Belastung
   • Wärmeausdehnung: Ausdehnung oder Zusammenschrumpfen durch Temperaturwechsel
3. In Frage kommende Materialien vergleichen, auch unter Berücksichtigung der Druckverfahren
4. Druckmaterial auswählen

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