3D Filament für 3D-Druck

Wer einen 3D-Drucker besitzt und sich 3D-Filamente dafür kaufen möchte, dem bieten sich ungeahnte Möglichkeiten. Da es viele verschiedene Filamente gibt, lassen sich damit viele unterschiedliche Druckjobs umsetzen.

Was ist ein 3D-Filament?

Ein 3D-Filament wird als Druckmaterial für 3D-Drucker mit Fused Deposition Modeling (FDM) bzw, Fused Filament Fabrication (FFF) (deutsch: Schmelzschichtung) verwendet. Es ist ein Faden (oder Draht) aus thermoplastischem Kunststoff, den der 3D-Drucker schmilzt und anschließend Schicht um Schicht durch Strangpressen zu einem 3D-Objekt aufbaut. Den genauen Aufbau geben dabei die sequentiellen Bewegungs- und Extrusions-Kommandos in der Gcode-Druckdatei vor. Mittlerweile gibt es eine größere Auswahl an 3D-Filamenten aus unterschiedlichen Materialien in verschiedenen Farben als noch vor wenigen Jahren. Die beliebtesten 3D-Filamente sind PLA-, ABS- und PETG-Filamente. Darüberhinaus gibt es spezielle Filamente für 3D-Objekte mit besonderen Eigenschaften wie TPE, ASA, Nylon, Polycarbonat, HIPS oder PMMA. Die gängigsten Durchmesser für 3D-Druck-Filamente sind 1,75 mm und 2,85 mm (meist als „3 mm“ im Handel), wobei 1,75 mm der größte Teil aller 3D-Drucker verwendet.

PLA-Filament

Im Hobbybereich ist dieses 3D-Filament das beliebteste Material für den 3D-Druck. PLA (Polylactic Acid), auch Polylactid oder Polymilchsäure genannt, gehört zu den Polyestern. Man gewinnt es aus Maisstärke, Zuckerrohr und/oder Zuckerrüben. Damit zählt es zu den umweltfreundlichen und biokompatiblen Filamenten. Viele PLA-Filamente bestehen jedoch aus PLA-Blends. Damit es gewünschten Eigenschaften erhält, reichen die Hersteller das reine PLA mit Additiven an. Obwohl reines PLA als lebensmittelecht gilt, sollten Sie immer auf die Herstellerangaben achten, denn PLA-Blends sind nicht zwangsläufig lebensmittelecht.

PLA-Filamente verfügen über eine gute Härte, extreme Druck-Präzision und eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme. Darüber hinaus sind sie schwer entflammbar und schrumpfen nicht beim Abkühlen. Deshalb sind sie im 3D-Druck so beliebt. Neben guten mechanischen Eigenschaften wie hohe Oberflächenhärte, hohes E-Modul (Zugfestigkeit) und hohe Steifigkeit zeigen sie allerdings eine mäßige Witterungs- und Temperaturbeständigkeit und eine geringe Schlagfestigkeit (d.h. bricht leicht). Ihre mechanischen Eigenschaften sind denen der Filamente aus PET sehr ähnlich. Sie zeigen jedoch eine höhere Sauerstoff-, Feuchte- und Kohlendioxiddurchlässigkeit und absorbieren das UV-Licht schon ab niedrigeren Wellenlängen.

Reine PLA-Filamente gehören zu den biologisch abbaubaren Kunststoffen, da sie aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Trotzdem sollte man sie nicht einfach im Garten oder in der Natur entsorgen, da sie in der freien Natur zuerst in kleinere Partikel zerfallen und über eine längere Zeit als Polymere erhalten bleiben, bevor sie eines Tages endlich abgebaut sind. PLA ist hauptsächlich über industrielle Kompostieranlagen unter kontrollierten Bedingungen biologisch abbaubar. Im Kompost bleiben dann nur die organischen Bestandteile übrig.

Verhalten von PLA-Filamenten während des 3D-Drucks

Im Gegensatz zu ABS lässt sich ein 3D-Filament aus PLA ohne unangenehmen Geruch drucken. Es entsteht -wenn überhaupt- eher ein süßlicher, karamellartiger Geruch. Da sich das Material während des Druckvorgangs fast gar nicht verzieht (Warping), sehr gute Haftung zwischen den Schichten hat und hervorragend auflöst, schätzen es nicht nur Druckanfängern. Warping beschreibt das Verhalten, wenn sich das gedruckte 3D-Objekt während des Auskühlens verbiegt. Das passiert, wenn sich der Kunststoff beim Abkühlen zusammenzieht (z-B. bei ABS, ASA oder Nylon). Empfehlenswert sind bei PLA Temperaturen von 190-210 °C für den Extruder und 45-60 °C für die Druckunterlage. Aufgrund seiner geringen Schmelztemperatur und Schrumpfung lässt sich PLA auch ohne beheizten Bauraum und ohne beheizte Druckerplatte ausdrucken.

 

Verhalten von PLA-Filamenten während der Nachbearbeitung

Da PLA über eine geringe Schlagfestigkeit verfügt und leicht bricht, können Sie die fertigen Objekte nur vorsichtig fräsen oder bohren. Ebenso ist große Vorsicht bei fragilen Bauteilen geboten. Sie brechen leicht bei zu forscher Bearbeitung. Schleifen lassen sich die Objekte jedoch sehr gut (aufgrund des niedrigen Schmelzpunkts bietet sich Wasser auf dem Schleifpapier allerdings an). Ebenso lassen sie sich gut bemalen. Allerdings lassen sie sich nicht mit Aceton nachbehandeln, da PLA gegen Aceton beständig ist und nur weich wird. Es würde sich also keine glatte Oberfläche damit ergeben.

Anwendungsmöglichkeiten für PLA

Für Bauteile und Objekte, die unter Einfluss hoher Temperaturen stehen sollte PLA nicht eingesetzt werden, da es nur bis zu 60 °C formbeständig ist. Auch Objekte im Freilufteinsatz sollte man nicht aus PLA drucken, da es nicht witterungsbeständig ist. Gerne wird es z.B. zum Druck verschleißarmen Spielzeugs, Behältern, Figuren, Prototypen und Architekturmodellen eingesetzt. Ebenso lässt es sich gut zum Druck von Ausstellungsobjekten, Dekorationsobjekten, Gehäusen und Bildungsprojekten verwenden.

ABS Filament

Dieses 3D-Filament besteht aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), einem Material, das zu den amorphen Thermoplasten bzw. den Copolymeren gehört. Es ist ein aus mineralöl gewonnenes Standard-Industrieplastik, das nahezu überall im Einsatz ist, z.B. für Spielzeug (LEGO-Steine), Gehäuse oder die meisten Teile im Auto. ABS unterscheidet sich von PLA in wichtigen Eigenschaften. Es ist hitzebeständig, kratzfest und bricht nicht leicht. Darüberhinaus ist ABS sehr widerstandsfähig gegen Fette und Öle. Das Material ist -wie PLA- schwer entflammbar und entwickelt beim Verbrennen dunklen verschmort riechenden Rauch.

Seine allerwichtigsten Eigenschaften sind allerdings seine hohe Zähigkeit, Festigkeit, Steifigkeit und die sehr gute Schlagfestigkeit. Weiterhin zeichnet sich ABS im Vergleich zu PLA durch eine gewisse Witterungsbeständigkeit aus – nur dauerhaftes UV-Licht entfärbt es und macht es spröde. Wer UV-beständiges ABS sucht, das explizit für den Außeneinsatz entwickelt wurde, sollte zu ASA greifen.

Verhalten von ABS-Filamenten während des 3D-Drucks

ABS gehört neben PLA zu den beliebtesten 3D-Druck-Filamenten und war in den Anfangsjahren sogar das einzig verfügbare 3D-Druck-Filament. Auch wenn die Materialeigenschaften an sich besser sind als die von PLA, so lässt sich 3D-Filament aus ABS jedoch etwas schwieriger verarbeiten. ABS verfügt über eine hohe Tendenz zum Warping, da es sich beim Abkühlen merklich zusammenzieht. Deshalb sind zum 3D-Drucken eine beheizte Druckplatte und idealerweise auch ein geschlossener Bauraum (Klimakammer) notwendig, denn beides verhindert zu starke Schrumpfung durch Abkühlung. Um das vorzeitige Ablösen des Objektes von der Druckplatte zu verhindern, können Dauerdruckplatten (PEI, Builtak), Kapton-Tape, PVA-Klebestift (z.B. UHU), „ABS-Saft“ (in Aceton aufgelöste ABS-Filamentstücke) oder Haarspray helfen.

Für den Extruder empfiehlt sich eine Temperatur von 220-240 °C und für die Druckerunterlage eine Temperatur von 85-110°C. Beim Druck sollte man auf eine ausreichende Belüftung bzw. eine luftdichte Klimakammer setzen, da durch das Schmelzen der ABS-Filamente  unangenehm riechende und sogar auf Dauer schädliche Ausdünstungen entstehen.

Verhalten von ABS-Filamenten während der Nachbearbeitung

Durch die Kombination aus hoher Schlagfestigkeit und relativ weicher Oberflächenhärte lassen sich 3D-Druck-Objekte aus ABS gut bearbeiten. Mögliche Methoden zur Nachbearbeitung sind Lackieren, Sägen, Kleben, Fräsen, Bohren und Schleifen. Damit lassen sich Objekte in die jeweils gewünschte Form bringen.

ABS-Druck-Objekte sind im Gegensatz zu Objekten aus PLA mit dem Lösungsmittel Aceton nachbehandelbar bzw. verklebbar. Das funktioniert am besten, wenn das Objekt auf einem mit Aluminiumfolie umwickelten Sockel steht, der sich in einem entsprechend großen Glas befindet. Anschließend wird das geschlossene (!) Glas mit dem Sockel und dem Objekt auf eine warme Fläche gestellt (geht auch ohne Erhitzen, dauert aber dann länger). Hierfür können Sie zum Beispiel das beheizte Druckbett verwenden. Das Aceton verdampft und legt sich auf die Oberfläche des Objekts und löst diese auf – je länger das Objekt im Glas verbleibt, umso mehr geglättet wird die Oberfläche. Man sollte aufhören und das Objekt aus dem Glas nehmen, bevor Druckdetails der Glättung zum Opfer fallen. Bevor das letzte Aceton von der Objektoberfläche verdampt ist, ist die Oberfläche klebrig – Vorsicht ist geboten beim Anfassen, sonst sieht man später die Fingerabdrücke. Wenn nötig lieber eine spitze Zange o.ä. verwenden!

Vorsicht beim Umgang mit Aceton: Es ist giftig, reizend und leicht entzündlich – auch und v.a. als Dampf!

Das Objekt kann alternativ auch einfach mit einem in Aceton benetzten Tuch abgerieben werden, um die Oberfläche entsprechend zu glätten.

Wichtig: Beim Umgang mit Aceton sollten immer Handschuhe getragen werden. Außerdem sollte der Raum, in dem damit gearbeitet wird, sehr gut gelüftet werden. Wenn möglich besser gleich im Freien arbeiten!

Anwendungsmöglichkeiten für ABS

  • Spielzeuge
  • Transportbehälter
  • Gehäuse
  • Armaturen und Teile fürs Auto
  • Objekte, die Temperaturen bis ca. 100°C ausgesetzt sind
  • Objekte, die gewisse Belastungen und Schläge aushalten müssen
  • Objekte, die kratzfest sein müssen

PETG-Filament

Dieses 3D-Filament besteht aus Polyethylenterephthalat (PET, bekannt z.B. von Plastikflaschen und Verpackungen), welches mit Glykol modifiziert wurde. Glykol ist ein Dialkohol, der sich von Ethylenglycol ableitet. PETG besitzt eine niedrige Viskosität und eine besonders hohe Transparenz. Es ist einfacher zu drucken als ABS und haltbarer und flexibler als PLA.

Die Modifizierung von PET mit Glykol gehört zu den beliebtesten Methoden, um die Verarbeitungseigenschaften von PET zu verbessern, zum Beispiel um die Kristallisation und Schmelztemperatur zu senken. Gleichzeitig ergibt sich durch die Zugabe von Glykol eine höhere Transparenz der 3D-Druck-Objekte. Darüber hinaus verleiht Glykol dem PET eine bessere Viskosität. Das verbessert erheblich die mögliche Geschwindigkeit beim Druck und den Prozess selbst. Deshalb ist ein PETG-Filament ein sehr verlässliches 3D-Filament, sowohl für den Heimanwender als auch für den Profi. PETG ist relativ witterungsbeständig (wird auf Dauer jedoch von UV-Licht geschwächt), besitzt eine hohe Schlagzähigkeit (d.h. bricht nicht) und starke Schichten-Haftung. Außerdem ist es bis ca. 85°C temperaturstabil und liegt somit zwischen PLA (60°C) und ABS (100°C). Aus diesen Gründen kann es zum 3D-Druck von Objekten, die im Freien zum Einsatz kommen, in Betracht gezogen werden.

Verhalten von PETG-Filamenten während des 3D-Drucks

Ein 3D-Filament aus PETG lässt sich im Vergleich zu einem Filament aus PLA fast ebenso einfach drucken mit nahezu keinem Warping-Risiko. Deshalb ist PETG ein ebenso anfängerfreundliches Material wie PLA. Darüberhinaus ist PETG geruchlos beim Drucken und in seiner Grundform lebensmittelecht – wie bei PLA gilt jedoch, die Herstellerangaben zu beachten. PETG löst allerdings auch etwas schlechter auf als PLA.

Da PETG etwas Feuchtigkeit aus der Luft absorbiert, sollte das 3D-Filament luftdicht und trocken gelagert werden, damit es keine Probleme beim Drucken bereitet.

Verhalten von PETG-Filamenten während der Nachbearbeitung

Das fertige Objekt aus PETG kann geschliffen und anschließend mit Klarlack überzogen werden. Ebenso ist es möglich, es mit einem speziell für den 3D-Druck entwickelten Epoxidharz nachzubearbeiten. Er gibt dem 3D-Druck-Objekt eine wunderschön glänzende und weiche Oberflächenstruktur.

Anwendungsmöglichkeiten für PETG

  • Vasen
  • Objekte mit mittlerer Temperaturstabilität bis 85°C
  • Objekte, bei denen eine hohe Transparenz benötigt wird
  • Ummantelungen im technischen Bereich
  • medizinische Anwendungen
  • Protektoren
  • Druckerbauteile
  • mechanische Bauteile

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