Das Filament - Essentiell wichtig für den 3D-Druck

Was genau ist Filament eigentlich?

Das sogenannte Filament für 3D-Drucker besteht aus thermoplastischen Kunststoffen. Diese ziehen die Hersteller in Fadenform aus Granulat und liefern sie zumeist auf einer Rolle aus. Es gibt Filament jedoch auch gelegentlich als Cartridges oder lose Samples zum Ausprobieren. Wenn es um 3D-Drucken geht, spielen Filamente eine Hauptrolle. Warum das so ist und worum es dabei geht, wird im Folgenden näher beschrieben. Dabei stellen wir kurz einige der verschiedenen Materialien vor, aus denen 3D-Filamente gefertigt werden. Das Filament ist ein essentiell wichtiger Teil des 3D-Druck-Prozesses. Die richtige Wahl und die richtigen Einstellungen sind entscheidend für die Qualität, Geschwindigkeit, Haltbarkeit und Stabilität des Drucks.

Wie wird Filament angeboten?
Unterwegs im Filament-Dschungel
Kurzübersicht 3D-Druck-Materialien
PLA
ABS
PET(G)
ASA
TPE
Nylon
HIPS
PVA

Wie wird Filament angeboten?

Als Grundlage für den 3D-Druck hat sich Filament in Faden- bzw. Draht-Form im Vergleich etwa zu Pulver- oder Granulatgrundstoffen durchgesetzt. Dies liegt daran, dass ein Kunststoff-Faden dramatisch leichter zu verarbeiten ist im 3D-Druck als Pulver oder Granulat. Ein Faden benötigt nur einen Motor, der ihn kontrolliert durch eine beheizte Düse ("Hotend") drückt, während Pulver oder Granulat aufwendige, große und teure Baugruppen wie eine Schmelzkammer und eine Hochtemperatur-Pumpe für zähe Flüssigkeiten benötigen würden, ähnlich wie beim Spritzgussverfahren.

In aller Regel bieten die Hersteller Filament auf Rollen an, was eine besonders einfache Verarbeitung ermöglicht. Die mit Abstand gängigsten Durchmesser sind 1,75 mm und 2,85 mm (gemeinhin als 3 mm im Handel). Besonders PLA Filamente sind in vielen unterschiedlichen Farben erhältlich, manche Markenprodukte erlauben die Auswahl unter mehr als 20 Farbtönen.

Einige wenige Hersteller wie Formfutura bieten ihre Spezialkunststoffe auch als Granulat (Pellets) an, wie sie die Industrie verarbeitet. Die Zielgruppe hierfür sind primär Anwender, die ein eigenes Filament-Herstellungsgerät haben, z.B. den Filastruder, mit dem sich auch Fehldrucke, 3D-Druckabfall und Plastikmüll zu Filament verarbeiten lassen.

Unterwegs im Filament-Dschungel

Filamente gibt es in unterschiedlichsten Ausführungen und mit sehr variablen Materialeigenschaften. Die große Gemeinsamkeit dabei ist, dass sie sich immer wieder erhitzen, verflüssigen und neu formen lassen (thermoplastisch). Ein Beispiel für ein Material, wo dies nicht geht, ist beispielsweise Gummi, welcher sich nach der Vulkanisierung nicht mehr verflüssigen und neu formen lässt. Thermoplastische Filament-Materialien sind in fast beliebig formbar, man kann sie einfärben und immer wieder neu gestalten, so dass sie die ideale Grundlage für den 3D-Druck bieten. Die meisten Filamente setzen sich aus jeweils unterschiedlichen Basis-Substanzen zusammen (sogenannte Co-Polymere), was bei unterschiedlicher Gewichtung der einzelnen Polymere auch variable Materialeigenschaften (z.B. Weichheit, Schmelzpunkt, Schrumpfverhalten, Bruchfestigkeit etc) ermöglicht.

Im Bereich der 3D-Drucker Filamente haben sich durch hohe Qualität und innovative Filament-Ideen verschiedene Filament-Marken einen Namen machen können, es gibt allerdings auch sehr viele preiswertere No-Name Artikel von variabler Qualität. Die verschiedenen Arten von 3D-Druck-Filamenten unterscheiden sich in ihrem chemischen Aufbau, besonderen Beimengungen und den daraus resultierenden speziellen Eigenschaften. Manche sind besonders leicht druckbar, sind dann aber oft nicht besonders beständig oder stabil. Einige setzen eine Klimakammer und ein beheizbaren Druckbett voraus für erfolgreichen Druck. Wieder andere sind aufgrund ihrer Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse wie UV-Strahlung und Witterung besonders für den Außenbereich geeignet. Auch im Härtegrad unterscheiden sich Filamente. Lösliche Stützfilamente helfen gegen unsaubere Unterseiten, Brücken und Überhänge und schwierig zu entfernende interne Stützstrukturen bei komplexen Druckobjekten. Es ist deshalb möglich, für jeden denkbaren Einsatzzweck ein passendes Filament auszuwählen. Filamente können sich ebenso in ihrer Kompatibilität mit verschiedenen Druckerfabrikaten und im Preis unterscheiden.

Die verschiedenen 3D-Druck-Filament-Materialien in der Kurzübersicht

Für die ersten 3D-Drucker in privater Hand (was 2006 mit dem RepRap begann) stand nur ABS als Material zur Verfügung. Mittlerweile existiert eine gigantische Vielzahl thermoplastischer Kunststoffe, die sich für den 3D-Druck eignen. Einige sind aus der Industrie bekannte und weit verbreitete Materialien (ABS, PET, Nylon, Polycarbonat, PLA). Andere wurden speziell für den 3D-Druck angepasst (TPU, PETG, PC+ABS, ABS+, PLA+). Größere Hersteller entwickeln sogar ihre eigenen Kunststoffe speziell für den 3D-Druck oder lassen diese entwickeln. Beispiele wären das von Eastman Chemical entwickelte "Amphora" oder Extrudrs "GreenTEC".

PLA Filament

Die drei Buchstaben PLA stehen für Polylactid, d.h. Poly-Milchsäure. Dabei handelt es sich um das einfachste zu druckende und am weitesten verbreitete 3D-Filament. PLA Filamente sind sehr preiswert, präzise, hart, entwickeln keine Gerüche beim Druck und schrumpfen nicht beim Abkühlen, sind aber wenig temperaturstabil (wird ab 60°C weich) und brechen leicht. PLA ist aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke oder auch Zuckerohr hergestellt. Das bedeutet es handelt sich dabei um ein bedingt biologisch abbaubares Material. Man kann PLA bei einer Drucktemperatur von 190-220 °C einsetzen. Sie benötigen kein Heizbett für dieses Filament, falls vorhanden druckt man PLA jedoch oft mit 50-60°C Heizbett-Temperatur für bessere Haftung. Ein Bauteil-Lüfter ist allerdings empfohlen für schönere Überhänge, Brücken und saubere Spitzen.

PLA ist so populär bei den 3D-Druckern, dass es sogar zahlreiche Drucker ohne Heizbett gibt, die ausschließlich PLA verarbeiten können.

ABS Filament

ABS ist neben PLA ein Klassiker unter den 3D-Filamenten und war die ersten Jahre das einzige 3D-Druckmaterial. Das Kürzel steht für Acrylnitril-Butadien-Styrol und ist ein weit verbreitetes aus Erdöl hergestelltes Standard-Industrieplastik. LEGO-Steine, Gehäuse von Geräten oder die meisten Teile im Auto sind beispielsweise in ABS gefertigt. Es hat eine höhere Bruchfestigkeit und Temperaturstabilität (ca. 100°C) als PLA (ca. 60°C) und ist auch besonders schlag- und kratzfest. Ähnlich wie PLA ist es allerdings nur mäßig witterungsbeständig, bleicht aus und wird spröde im Außeneinsatz. Wer mit ABS druckt, muss für eine gute Belüftung sorgen, weil sich unangenehme Gerüche entwickeln können. Auch ein beheiztes Druckbett ist notwendig, damit das Material nicht beim Abkühlen schrumpft und sich deshalb von der Druckunterlage löst und verzieht

PET(G) Filament

PETG Filament ist um Glykol erweitertes Polyethylenterephthalat (PET), aus welchem z.B. auch Plastikflaschen gefertigt werden. Das Material ist in etwa ein Mittelding aus ABS und PLA, denn sowohl die Temperaturstabilität als auch die Verarbeitungs-Schwierigkeit liegt grob dazwischen. Es ist schnell druckbar, hat sehr gute Schichten-Haftung und bricht nur sehr schwer. PETG ist lebensmittelecht, schwer entflammbar, resistent gegen viele Chemikalien, wetterfest und extrem transparent. Außerdem schrumpft es kaum beim Abkühlen. PETG zieht allerdings bei offener Lagerung Feuchtigkeit aus der Luft und es ist etwas verzwickt, die richtigen Einstellungen zu finden, damit die erste Schicht sich nicht vom Druckbett ablöst.

Die meisten Hersteller bieten PETG in der modifizierten Glykol-Variante an, einige Hersteller wie z.B. Verbatim oder Innofil3D setzen hingegen auf reines PET.

ASA Filament

ASA Filament, ausgeschrieben Acrylnitril-Styrol-Acrylat, ist eine speziell für den Außeneinsatz entwickelte Variante von ABS. Es hat nahezu identische Eigenschaften wie ABS, ist allerdings zusätzlich sehr UV- und witterungsbeständig. ASA wird deshalb bevorzugt für Kunststoffteile im Außenbereich verwendet, z.B. Gartenmöbel, Teile fürs Fahrrad oder die Außenseite des Autos, auch Sportgeräte wie z.B. Surfbretter sind oft aus ASA gefertigt. Die ABS-Probleme mit Schrumpfung und Ausdünstungen gibt es auch bei ASA. Ein Nachteil von ASA gegenüber ABS ist, dass man es - je nach Variante - langsamer drucken muss - man erreicht dann jedoch auch eine sehr hohe Präzision, die ähnlich gut ist wie die von PLA.

TPE Filament

Eigentlich ist TPE ein Überbegriff für unter Hitze formbare flexible Materialien ("Flex-Filament"). Unter thermoplastischen Elastomeren gibt es zahlreiche, chemisch völlig unterschiedliche Varianten, beispielsweise TPU (Thermoplastisches Polyurethan). Grundsätzlich stellt TPE ähnlich wenig Anforderungen an den 3D-Drucker wie PLA, denn es benötigt nur niedrige Drucktemperaturen und kein beheiztes Druckbett oder eine Klimakammer. Und obwohl TPE mit nahezu jedem Drucker gedruckt werden kann, muss man die Druckgeschwindigkeit ordentlich reduzieren und an den Retraktions-Einstellungen drehen, damit es keine Fäden zieht. Problematisch sind TPE Filamente in Bowden-3D-Druckern, d.h. Druckern, in denen Motor und Hotend räumlich getrennt und durch einen Schlauch verbunden sind, denn die Flexibilität des Filaments wirkt sich hierbei negativ aus.

Nylon Filament

Nylon (Chemischer Überbegriff: Polyamide) ist ein bekannter und beliebter Kunststoff für Kunstfasern und mechanisch belastbare Elemente (z.B. Zahnräder, Beilagscheiben oder Scharniere). Es ist nahezu unzerbrechlich, resistent gegen sehr viele Lösungsmittel, wetterfest und hat sehr niedrige Oberflächenreibung. Nylon ist eines der anspruchsvolleren 3D-Druck-Materialien, denn es benötigt eine sehr hohe Drucktemperatur, schrumpft beim Abkühlen und zieht sehr extrem Wasser aus der Umgebungsluft. Das Filament muss deshalb auch unbedingt luftdicht versiegelt gelagert werden.

HIPS Filament

Mit HIPS wird High Impact Polystyrene (Hochschlagfestes Polystyrol) abgekürzt. Dabei handelt es sich um eine besondere Form von Polystyrol. Das Filament ist sehr chemisch beständig, ist allerdings löslich in Limonen und eignet sich deshalb wegen ähnlicher Schmelztemperatur (220-.240°C) auch als Stützmaterial für ABS. HIPS Filamente weisen eine gute Härte und Schlagfestigkeit auf, sind wärmebeständig, lebensmittelecht und haben gute hygienische Eigenschaften. Sie werden aus Pflanzenstoffen synthetisiert und sind deshalb biologisch abbaubar. In der Verarbeitung ist das Material sehr stabil, es schrumpft allerdings leicht beim Abkühlen und dünstet aus, wenn auch nicht so stark wie ABS. HIPS zersetzt sich unter UV-Licht und ist damit nicht witterungsbeständig, auch die Druckpräzision ist nicht so gut wie bei anderen Materialien.

PVA Filament

PVA ist die Abkürzung für Polyvinylalkohol, ein organisch abbaubarer sehr weicher Kunststoff, aus dem beispielsweise der Kleber für Klebestifte besteht. Dieses Filament ist wasserlöslich und dient als Stützmaterial für Brücken, Überhänge und schöne Unterseiten, als eigenständiges Druckmaterial eignet es sich nicht. Polyvinylalkohol löst sich nach dem Druckvorgang auf, wenn man es in ein Bad aus warmem Wasser legt. Wie bei allen Stützmaterialien benötigt man zum Druck einen 3D-Drucker mit mindestens zwei Extrudern, aufgrund des Schmelzpunktes von 180-210°C eignet sich insbesondere PLA als komplementäres Druckmaterial. PVA ist elastisch, absorbiert Wasser aus der Luft und muss trocken gelagert werden.