3D Drucker Material: Mit diesen Stoffen kann man drucken

Die Zahl der additiven Fertigungstechniken im 3D-Druck ist stetig gewachsen. Immer mehr Materialien stehen zur Auswahl. In Berlin bekommen Sie beispielsweise sogar 3D-gedruckte Süßigkeiten. Entscheidend für das richtige 3D Drucker Material ist der Einsatzzweck. Alle Varianten habe ihre spezifischen Stärken und Schwächen. Als zweiter Faktor ist die Hardware zu berücksichtigen: Nicht jeder Printer kann mit jedem 3D-Drucker-Material umgehen.

3D Drucker Material: Ein allgemeiner Überblick

Materialien für den 3D Druck sind:

Allgemein: Welches 3D Drucker Material passt zu welchem Einsatzzweck?

Kunststoffe sind als 3D Drucker Material vor allem in der verarbeitenden Industrie und im Privatbereich von besonderer Bedeutung, denn es gibt Kunststoffe mit allen erdenklichen Materialeigenschaften und sie sind zumeist sehr günstig und gut verfügbar. Außerdem sind aus Kunststoffen hochwertige Funktionsmodelle fertigbar. Metalle kommen hingegen vorwiegend in der bildenden Kunst, bei der Entwicklung zum Druck von Prototypen, in der Industrie für hochkomplexe Maschinen-Bauteile und für die Schmuckherstellung zum Einsatz. Sie gewinnen aber auch in der Forschung an Relevanz – insbesondere für die Raumfahrt. Keramik ist im verarbeitenden Gewerbe und in der Kunst verbreitet, Papier und Sandstein sind für den Vollfarb-3D-Druck (auch für texturierte schicke Entwürfe und Konzeptmodelle) angesagt, SLA-Harze sind im Modell- und Figurendruck populär, und zusammen mit Wachs zur Herstellung von Gussformen für Zahnprothesen und individuellem Schmuck weit verbreitet.

3D Drucker Material Kunststoff

Kunststoff ist das wichtigste 3D Drucker Material. Allerdings ist der Singular eigentlich falsch. Denn es gibt eine schier unendliche Anzahl verschiedener Kunststoffe mit den unterschiedlichsten Eigenschaften – und Preisen. Der Erfolg von Kunststoff als 3D Druck Material hat fünf Gründe:

  1. Kosten: Kunststoff ist -abgesehen von Hochleistungs-Kunststoffen wie PEEK, PPSU oder PEI/Ultem- im Vergleich mit anderen Materialien günstig. Er ist, wie die Drucker, die ihn verarbeiten können, gut verfügbar und eignet sich deshalb ideal zur Kleinserienproduktion.
  2. Vergleichbarkeit: Designer und Entwickler können nur dann von Prototypen lernen, wenn die Modelle den finalen Produkten möglichst ähnlich sind. Und obwohl die Objekt-Belastungsgrenzen, die Oberflächenoptik und der interne Objektaufbau in einem anderen Herstellungsverfahren (z.B. Spritzguss) anders ausfällt, ist es dennoch sehr von Vorteil, wenn man im 3D-Drucker das Material verwendet, aus dem später das Serienprodukt besteht.
  3. Vielfalt: Dadurch, dass es viele Kunststoffe mit den unterschiedlichsten Eigenschaften gibt, lassen sich diese für fast alle denkbaren Einsatzzwecke verwenden. 3D Drucker mit Vollmetall-Hotend können mit allen Kunststoffen umgehen, deren Drucktemperatur unter 300°C liegt, Drucker mit Teflon-Röhrchen im Hotend können Materialien bis ca. 240°C drucken (ab 240°C wird Teflon langsam weich und emittiert dabei schädliche Gase!), nur Drucker ohne Heizbett sind auf PLA und maximal TPE eingeschränkt. Einige Spezialdrucker, die über Heizbetten verfügen, die bis zu 200°C erreichen, können sogar Hochleistungskunststoffe bis 500°C drucken.
  4. Erfahrung: Da Kunststoff das beliebteste 3D Drucker Material ist, haben vergleichsweise viele Personen Erfahrung damit. Es ist auch relativ einfach, Tipps für den bestmöglichen Druck im Netz zu finden.
  5. Das optimale Druckverfahren für Kunststoffe ist selektives Lasersintern (SLS). Aufgrund der hohen Kosten ist es aber nur im professionellen Umfeld zweckdienlich.

3D Drucker Material Metall

Metall als 3D Drucker Material hat in den letzten Jahren eine beeindruckende Karriere gemacht. Es wird in der Forschung in der Luft und Raumfahrt, in der Medizin sowie in der Automobilindustrie eingesetzt und hat insbesondere bei in kleinster Stückzahl produzierten Werkstücken und Bauteilen CNC mittlerweile den Rang abgelaufen – insbesondere bei hochkomplexen  Designs. Mittel- und langfristig dürfte es für die Kleinserienproduktion ebenso wichtig wie Kunststoff werden. Metalle wie Aluminium, Titan, Gold, Inconel, Nickel, Kupfer, Silber oder Edelstahl erlauben es, komplexe Modelle ohne zusätzliches Schweißen zu erstellen, die im traditionellen CNC-Verfahren niemals herstellbar wären. Auch die Nachbearbeitung ist deutlich weniger aufwendig. Die Defektanfälligkeit nimmt dadurch ebenfalls ab.

Obwohl mit Metall 3D-gedruckte Teile nicht ganz so hart und belastbar sind wie Teile, die man im traditionellen CNC-Verfahren aus einem soliden Metallblock fräst, kann der 3D-Druck-Prozess komplexe Teile in einem Stück herstellen, die sich bisher nur durch Schweißen mehrerer CNC-Stücke herstellen ließen – und die Schweißnaht ist leider immer der Schwachpunkt.

Bislang sind es vor allem die hohen Kosten, die eine breitere Nutzung von Metall als 3D Drucker Material verhindern. Die Drucker kosten je nach Ausführung und Technik zwischen 80.000 und 800.000 Euro. Obwohl es Experimente mit FDM-3D-Schicht-Druck in flüssigem Metall gibt, ist der Prozess alles andere als ausgereift und kann nur sehr grobe, geometrisch stark eingeschränkte Objekte drucken. Üblicherweise sind Metall-3D-Drucker sogenannte SLS/SLM/DMLS (Selective Laser Sintering/Melting bzw. Direct Metal Laser Sintering) Drucker, die Pulver aus Kunststoff, Glas, Keramik oder eben Metall schichtenweise auftragen, und dieses dann mit einem sehr starken Laser an den entsprechenden Stellen schmelzen (SLM) beziehungsweise sintern (SLS). Diese haben auch den Vorteil, dass sie völlig beliebige Geometrien drucken können, selbst filigranste Strukturen, da das ungeschmolzene Pulver als Stütze dient.

Metalldruck mit FDM-Druckern

Was momentan im Kommen ist, ist FDM-Druck mit Metallpulvern, die mit einem Polymer gebunden sind, und die man danach im Hochofen (1400°C oder mehr) sintert, so dass der Kunststoff sich verflüchtigt und sich die Metallpartikel zu einem gesinterten Metallobjekt verbinden. Ein anderer Ansatz setzt auf Tintenstrahl-ähnliche Düsentechnik, um die Metallpartikel mit einem aufgebrachten Harz an der gewünschten Stelle zu fixieren, bevor man das Druckobjekt ebenfalls im Hochofen brennt. Sehr innovativ in diesem Bereich ist beispielsweise der US-Hersteller Desktop Metal oder Digital Metal aus Schweden, auch HP hat eine artverwandte Metall-Drucktechnik namens „Metal Jet“ angekündigt. Der Chemiegigant BASF hat gar ein Filament namens Ultrafuse entwickelt, das in einem handelsüblichen 3D-FDM-Drucker nutzbar ist und damit die sogenannten „Grünkörper“ druckt, den man danach in einem Hochofen sintern muss.

Hinweis: Metallhaltige Filamente, wie sie Sie bei uns im Shop bekommen (z.B. Ampertec Metall, Formfutura Metalfil oder ColorFabb Copperfil) sind nicht für Metall-Druck geeignet! Es handelt sich hier um eine Beimischung von Metallpartikeln zu einem Kunststoff (üblicherweise PLA), mit denen Optik und manchmal auch Gewicht von Metall nachgebildet wird – andere physikalische Eigenschaften wie Härte, extreme Temperaturstabilität, Unzerbrechlichkeit, extreme Langlebigkeit, Resistenz gegen Lösungsmittel oder Leitfähigkeit sind damit nicht gegeben, da das Metall auch nach dem Druck nur in Pulverform dem Kunststoff beigemengt ist. Die Temperaturen zum Schmelzen von Metall sind viel zu hoch für normale FDM-Drucker. Auch für nachträgliches Sintern in einem Hochofen eignen sich diese Filamente nicht, da die verwendeten Träger-Kunststoffe dafür nicht konzipiert sind.

3D Drucker Material Keramik / Ton

Keramik ist im verarbeitenden Gewerbe und in der Kunst mittlerweile zu einem ernstzunehmenden 3D Drucker Material geworden. 3D-gedruckte Kaffeetassen gehören beispielsweise zum Repertoire von praktisch jedem 3D Druck-Dienst, den Sie online finden können. Allerdings hat Keramik als Material zwei Nachteile, die für die Serienfertigung zu berücksichtigen sind. Erstens ist die Nachbearbeitung aufwendig: Die „Grünkörper“ genannten Objekte müssen nach dem Druck in einem Brennofen gebrannt werden. Zweitens ist Keramik zerbrechlich. Dies reduziert seine Einsatzzwecke erheblich – beispielsweise auf Geschirr oder die Medizintechnik. Der große Vorzug von (gebrannter) Keramik ist seine Optik, seine Härte und seine Temperaturstabilität. Die aus diesem Material gedruckten und gebrannten Objekte wirken beeindruckend und eignen sich auch für Show-Zwecke .

3D Drucker Material Papier

Um mit Papier drucken zu können, ist beispielsweise das Selective Deposition Lamination-Verfahren (SDL) notwendig, das der Hersteller Mcor perfektioniert hat. Dabei wird jedes Papierblatt an den Stellen des Objekts mit Kleber laminiert, eine hochpräzise Klinge (oder ein Laser) schneidet die Umrisse aus dem Blatt. Bei der Klingen-Technik besteht zusätzlich die Möglichkeit, den Rand des Objektes mit der bekannten Tintenstrahl-Technik in Vollfarbe zu bedrucken. So sind vollfarbige 3D-Modelle möglich.

Da der Rand erst nach Ende des Drucks entfernt wird und somit als Stütze fungiert, gibt es bei der Technik auch kein Problem mit unsauberen Unterseiten oder Überhängen.. Papier fühlt sich als 3D Drucker Material ähnlich wie Holz an. Allerdings hat dieses Material zwei Nachteile: Erstens ist Papier nicht sonderlich haltbar. Zweitens kann prinzipbedingt nicht so präzise gedruckt werden wie mit anderen Techniken. Der 3D-Papierdruck eignet sich folglich also für wenig mehr als für optisch schöne Ausdrucke, harte belastbare Teile sind damit nicht druckbar.

3D Drucker Material Wachs

Wachs ist kein Material, das für den Druck eines Endprodukts eingesetzt wird. Vielmehr dient es im Produktionsprozess für die Umsetzung eines Zwischenschritts. Wachs dient im 3D-Druck als Rohling um Gussformen herzustellen, mit denen man dann solide Objekte aus Metall (z.B. individueller Schmuck oder Goldzähne) produziert. Um das 3D-gedruckte Wachsobjekt wird aus Ton eine Form gepresst, beim Brennprozess des Tons fließt das Wachs dann aus der Form heraus – oder verbrennt vollständig. In die gebrannte Tonform kann man dann das flüssige Metall gießen. Nach Erkalten wird die Ton-Gussform zerschlagen und übrig bleibt ein Metall-Abbild des ursprünglichen Wachs-Druckes.

Es gibt auch Filamente für den FDM-Druck und v.a. Harze für Stereolithographie, die rückstandslos verbrennen und für denselben Einsatzzweck gedacht sind. Der Vorteil im Vergleich zum 3D-Wachsdruck dabei ist, dass 3D-Drucker, die damit umgehen können, wesentlich weiter verbreitet und günstiger sind.

3D Drucker Material Sandstein /Gips

Sandstein bzw. Polymergips eignet sich zur Herstellung von Konzeptmodellen, auch die beliebten 3D-Personen-Scans werden gerne in Sandstein gedruckt. Denn die „Colorjet“-Drucker „bemalen“ nach dem Druck das 3D-Modell in der bekannten Tintenstrahl-Technik, was vollfarbige 3D-Drucke möglich macht. Die Drucker arbeiten schichtenweise mit Gips-Pulver, das mit einem an den richtigen Stellen aufgebrachten Harz gehärtet wird. Da das Material aufgrund der Umwelteinflüsse im Laufe der Zeit seine Farben verliert ist es wichtig, dass der Sandstein nach dem Druck mit einer Schicht Epoxidharz überzogen wird. Gips ist sehr fragil und kann deshalb keine hochfeinen Strukturen abbilden. Als 3D Drucker Material sind seine Einsatzmöglichkeiten also begrenzt, für Bauteile oder sonstige funktionelle Drucke eignet es sich nicht.

3D Drucker Material Harz

Da die ersten 3D-Drucker auf der bereits Mitte der 1980er Jahre erfundenen Stereolithographie-Technik (SLA) basierte, ist Harz (engl. Resin) auch das älteste 3D-Druck Material. Der Trick dabei ist, dass es spezielle UV-lichtempfindliche Harze sind (sogenannte Photopolymere), die mittels UV-Licht aushärten. Dies kann mittels über Spiegel gelenkte Laser-Abtastung des zu druckenden Bereichs (Ursprungsmethode, ähnlich wie beim FDM-Druck mit dem Filament) oder mittels der Belichtung ganzer Schichten (DLP/LCD/CLIPS) auf einmal passieren. Wobei die Lichtquelle für die letztere Technik eine starke Projektorlampe (DLP-Stereolithographie bzw. CLIPS) oder eine Gruppe starker UV-LEDs (LCD-Stereolithographie) sein kann.

Da Stereolithographie primär mit Licht und damit mechanisch kontaktfrei arbeitet, können damit besonders feine Strukturen mit hoher Präzision und extrem dünnen Schichten gedruckt werden, was es für viele Einsatzzwecke (z.B. Figurendruck, Zahntechnik oder Schmuck) attraktiv macht. Eine Einschränkung ist beim SLA-Druck, dass man ausschließlich in einer Farbe drucken kann – ein Einfärben wie beim Papier-, Pulver- oder Sandsteindruck ist nicht möglich, auch ein Mehrfarbdruck wie z.B. der gleichzeitige Druck mehrerer Filamente wie beim FDM-Druck, geht in dieser Technik nicht. Für den Figurendruck werden die gedruckten Modelle jedoch gerne von Hand bemalt.

Eigenheiten des 3D-Drucks mit Harz

Da sich das flüssige Harz, im Gegensatz etwa zu Papier oder Pulver, auch nicht als Stütze für frei schwebende Objektteile eignet, ist man bei der Stereolithographie auch auf Stützstrukturen angewiesen. Folglich gibt es gewisse Einschränkungen bei der freien Objekt-Druckbarkeit – wenn auch nicht ganz so viele wie bei FDM. z.B. hat SLA keine hässlichen Unterseiten und kein Problem mit Brücken oder extremen Überhängen. SLA-Stützstrukturen sehen jedoch anders aus als beim FDM-Druck (baum- statt block-artig), da bei SLA das Druckobjekt entgegen der Schwerkraft nach oben aus dem flüssigen Harz „gezogen“ wird.

Die Photopolymer-Harze sind extrem zähflüssige klebrige giftige Substanzen, die nicht auf die Haut gelangen sollten (führt längerfristig zu Sensibilisierung) und die die Tendenz haben, sich überall zu verteilen. Darüberhinaus sind die Druckobjekte noch klebrig und voller Harz, wenn Sie aus dem Drucker kommen und müssen erst „gewaschen“ werden, üblicherweise in einem Bad aus Isopropyl-Alkohol. Danach ist die Oberfläche immer noch leicht klebrig und weich und muss erst durch UV-Bestrahlung in einer sogenannten „Curing Station“ oder im Freien in der Sonne vollständig aushärten. Der Betrieb eines SLA-Druckers ist folglich meist eine ziemliche Sauerei, und man kann nicht einfach das fertige Objekt aus dem Drucker nehmen wie beim FDM-3D-Druck.

Durch die im Vergleich zur traditionellen Laser-Methode deutlich billigere Bauweise und den viel schnelleren Druck durch kollektive Belichtung ganzer Schichten bei der neuen DLP- und LCD-Technik erlebt die Stereolithographie momentan ein Revival. SLA-Drucker mit LCD und UV-LEDs kosten nun ein paarhundert Euro statt ein paartausend. Deshalb wird Harz als Druckmaterial jetzt auch immer populärer. Was dazu führt, dass viel an Photopolymeren geforscht wird und Harze mit bestimmten Eigenschaften auf den Markt kommen, ähnlich wie beim FDM-Druck mit den verschiedenen Spezialfilamenten. So gibt es heute Harze für den 3D-Druck, die besonders präzise Details drucken können, besonders temperaturstabil, hart, schlagfest, zäh, UV-stabil, wetterfest oder gar elastisch sind oder die rückstandsfrei verbrennen (Gussformenproduktion, z.B. sehr weit verbreitet bei der Schmuckproduktion und in der Zahntechnik).

Sonstige 3D Druck Materialien

Es gibt zahllose weitere Materialien, mit denen heute 3D gedruckt wird. So drucken z.B. sogenannte Bioprinter direkt mit Zellen, in einigen Jahren sollen die ersten 3D-gedruckten Organe kommen. Auch der Druck mit essbaren Materialien (Schokolade, Teig, Butter, Keksteig, Haselnusscreme, Marzipan, Frischkäse, Fruchtgummi etc) erfreut sich ziemlicher Beliebtheit für ausgefallene und individualisierte Essenskreationen. Einige Firmen drucken sogar mittlerweile ganze Häuser im FDM-Verfahren mit dicken Betonwürsten aus. Grundsätzlich ist jedes Material, das formbar ist, auch 3D-druckbar, in mindestens einer der zahlreichen verschiedenen 3D-Drucktechniken. Wenn man es gezielt und schnell aushärten kann, ist es sogar ideal dafür geeignet.

Was unterstützt Ihr Drucker?

Die obige Auflistung gibt Ihnen einen allgemeinen Eindruck, welches 3D Drucker Material sich prinzipiell wofür eignet. Allerdings müssen Sie jetzt noch Ihren Drucker berücksichtigen. Die allermeisten Drucker können nur eine der oben aufgeführten Materialgruppen drucken. Bei uns im Shop bekommen Sie Filament-Kunststoffe aller Art für den FDM-Druck sowie diverse Harze (Resins) für den SLA-3D-Druck.