Was sind Filamente?
Es gibt viele verschiedene Arten von Filamenten, die sich in ihren Eigenschaften, Anwendungsmöglichkeiten und Verarbeitungsanforderungen unterscheiden. Bei den meisten dieser Werkstoffe handelt es sich um thermoplastische Polymere, Copolymere oder Blends, die wahlweise durch Additive oder Füllstoffe modifiziert werden. Zu den gebräuchlichsten Werkstoffen zählen unter anderem folgende:PLA (Polyactide)
PLA ist mit einem Marktanteil von rund 39 % eines der beliebtesten Materialien für den 3D-Druck, insbesondere für Anfänger oder Hobbyanwender. Es wird aus Rohstoffen wie Maisstärke oder Zuckerrohr hergestellt und ist unter speziellen Bedingungen biologisch abbaubar. PLA ist kostengünstig, leicht zu drucken, erfordert keine beheizte Bauplattform bzw. keinen beheizten Bauraum und hat einen relativ niedrigen Schmelzpunkt (ca. 180–220 °C). Es ist ideal für Prototypen, Dekorationsobjekte und Modelle, die keiner hohen thermischen oder mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Für technische Anwendungen ist PLA aufgrund seiner niedrigen Glasübergangstemperatur (ca. 50 °C) und des ungünstigen Kriechverhalten häufig nicht geeignet.
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ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
ABS ist ein robustes, wärmebeständiges und ebenfalls kostengünstiges Material. Mit einem Marktanteil von 28 % ist es vor allem in der Industrie beliebt. ABS hat einen höheren Schmelzpunkt als PLA (ca. 210–250 °C) und ist deutlich schlagzäher, beständiger gegenüber äußeren Einflüssen und eignet sich daher gut für funktionale Teile, die unter anderem höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Aufgrund der Wärmeausdehnung bzw. -schrumpfung ist der Druck mit ABS jedoch herausfordernd. Typischerweise wurde hier eine beheizte Druckplatte (ca. 80–100 °C) sowie ein geschlossener, beheizter Bauraum benötigt, jüngere Entwicklungen und optimierte ABS-Blends erlauben jedoch oft auf einen beheizten Bauraum zu verzichten. Aufgrund der freigesetzten Dämpfe beim Druck von ABS ist entweder eine gute Belüftung oder ein geschlossener Bauraum mit einem VOC-Filter erforderlich.
PETG (Polyethylenterephthalat – Glykol-modifiziert)
PETG ist, wie PLA und ABS, sehr kostengünstig und liegt in seinen Eigenschaften zwischen diesen beiden Werkstoffen. Es ist schlagzäher und flexibler als PLA, jedoch weniger hitzebeständig als ABS. PETG lässt sich vergleichsweise einfach drucken und hat eine sehr gute Haftung auf der Druckplatte, auch die Drucktemperaturen sind moderat (ca. 220–250 °C). Diese Eigenschaften machen es zu einer beliebten Wahl für mechanische Teile, Gehäuse und langlebige Objekte.
ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat)
ASA ist ein chemisch mit ABS verwandtes Copolymer. Der Werkstoff zeichnet sich durch seine hohe Witterungsbeständigkeit und inhärente UV-Stabilität aus, die bei anderen Polymeren für den 3D-Druck entweder nicht gegeben sind oder durch Zugaben von Additiven oder Pigmenten zu einem gewissen Grad erreicht werden können. Im Vergleich zu ABS bietet ASA ähnliche mechanische Eigenschaften wie hohe Festigkeit und Zähigkeit, ist jedoch weniger anfällig für Verfärbungen und Risse durch Sonnenlicht. Diese Eigenschaften machen ASA ideal für den Einsatz im Außenbereich, wie bei Gehäusen oder Automobilzubehör. Die Verbreitung von ASA ist aufgrund des höheren Preises geringer.
TPU (Thermoplastisches Polyurethan)
TPU ist ein flexibles, gummiartiges Material, das sich ideal für Anwendungen eignet, die Elastizität erfordern, wie Dichtungen, Schläuche oder Handyhüllen. Es hat eine gute Abriebfestigkeit und ist beständig gegen Öle und Fette. Der Druck mit TPU kann jedoch anspruchsvoll sein, da TPU eine langsame Druckgeschwindigkeit und möglicherweise spezielle Druckeinstellungen erfordert. Aufgrund seiner Beschaffenheit (vergleichbar mit gekochten Spaghetti) ist es für bestimmte Druckertypen nicht geeignet. Davon betroffen sind besonders Maschinen mit einem indirekten Bowden-Extruder, bei denen das Filament durch einen Schlauch geschoben, und nicht wie bei einem direkten Extruder gezogen, wird.
Fahrradgriff
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PVA (Polyvinylalkohol)
PVA ist ein wasserlösliches Material, das häufig als Stützmaterial im 3D-Druck verwendet wird. Besonders in Kombination mit Multi-Material-Druckern ermöglicht PVA das Drucken komplexer Geometrien und Überhänge. Nach dem Druck kann das PVA-Material einfach in Wasser aufgelöst werden, wodurch die Stützstrukturen vollständig und rückstandslos entfernt werden – im Gegensatz zu herkömmlichen Stützstrukturen, die unter Umständen schwierig zu entfernen sind oder zu Beschädigungen an filigranen Druckobjekten führen können. Aufgrund des Schmelzbereichs eignet sich PVA vor allem als Stützmaterial für PLA und PETG. Es ist abseits seiner sehr starken Hygroskopie vergleichsweise einfach zu drucken.
Füllstoffe und Subtypen
Je nach Füllstoff werden entsprechende Filamente zur Unterscheidung durch ein Suffix oder einen nachgestellten Begriff differenziert. Beispielsweise PLA Silk, PA-GF oder PETG-CF.
Abhängig von der Zusammensetzung führen bestimmte Additive zu einer signifikanten Änderung in den Werkstoffeigenschaften und unter Umständen zu einem höheren Verschleiß im Druckprozess. Insbesondere abrasive Hilfsstoffe wie Pigmente (z. B. Industrieruß oder Titandioxid) bzw. Faserfüllstoffe (z. B. Carbon- oder Glasfasern) führen bei Benutzung zum Aufreiben der Druckdüse. Besonders die Schichthaftung wird durch die Zugabe unterschiedlicher Additive positiv oder negativ beeinflusst; allein die Auswahl der Farbpigmente spielt hier eine entscheidende Rolle.
Silk
Silk-Filamente (von engl. silk für Seide) zeichnen sich durch einen speziellen Glanz aus, der durch die Beimischung von thermoplastischen Elastomeren erreicht wird. Diese TPE-Zugabe verleiht dem gedruckten Objekt eine seidige, schimmernde Oberfläche, die es besonders für dekorative Anwendungen geeignet macht, bei denen eine auffällige, glänzende Optik erwünscht ist. Die Schichthaftung wird durch die Zugabe dieser jedoch reduziert, weswegen sich diese Filamente nicht für mechanisch beanspruchte Teile eignen.
Matte
Filamente mit einem höheren Anteil an Füllstoffen oder speziell zugesetzten mattierenden Pigmenten erzeugen eine Oberfläche, die weniger Licht reflektiert und dadurch eine matte, nicht glänzende Optik bietet. Diese Eigenschaft ist z. B. im Modellbau gefragt, um den Einsatz von Füllern oder einer Grundierung zu reduzieren.
Wood
Wood-Filamente (von engl. wood für Holz) sind mit Holzfasern angereichert, was ihnen eine raue Textur und eine holzähnliche Erscheinung verleiht. Diese Filamente simulieren die Haptik von echtem Holz und sind daher ideal für Projekte, bei denen eine natürliche, organische Ästhetik gewünscht ist. Aufgrund des Verarbeitungsprozesses und der homogenen Durchmischung während der Produktion ist keine Form von Holzmaserung mehr zu erkennen.
Glow-in-the-dark
Diese Filamente enthalten spezielle phosphoreszierende Pigmente, die nach Lichteinwirkung im Dunkeln leuchten (engl. glow in the dark). Diese Filamente sind besonders nützlich für kreative Projekte, bei denen ein leuchtender Effekt erzielt werden soll, wie beispielsweise bei Nachtlichtern, Dekorationen für dunkle Räume oder Markierungen, die auch im Dunkeln sichtbar bleiben sollen. Sie laden sich durch Umgebungslicht auf und geben es im Dunkeln langsam wieder ab. Viele Leuchtstoffe, die in 3D-Druck-Filamenten eingesetzt werden, z. B. Strontiumaluminat, sind abrasiv.
CF und GF
Kohlefaserverstärkte (CF) und glasfaserverstärkte (GF) Filamente verbessern die mechanischen Eigenschaften gedruckter Objekte. Sie enthalten kurze Kohle- oder Glasfasern, die zu höherer Festigkeit und Steifigkeit führen, was sie ideal für technische Anwendungen macht. Die Materialeigenschaften sind jedoch im Vergleich zu anderen faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere solchen auf Basis von Lang- oder Endlosfasern mit hohem Orientierungsgrad, deutlich unterlegen und eher mit thermoplastischen Matrixwerkstoffen zu vergleichen. Ein weiterer Grund für die Hinzugabe entsprechender Fasern ist das Maskieren der für den FDM-Druck typischen Schichtlinien. Sowohl Carbon- als auch Glasfasern sind abrasiv.
PLA-CF
PETG-CF
PA12-GF
PA12-GF