PLA – das Filament für Einsteiger und Profis

PLA ist das mit Abstand populärste 3D-Druckmaterial. Im Vergleich zum zweitpopulärsten Material ABS zeichnet es sich durch einfacheren Druck und höhere Präzision aus. Auch größere Umweltfreundlichkeit macht den Bio-Kunststoff attraktiv. Damit ist Polylactid auch und gerade für 3D-Druck Einsteiger eine hervorragende Option. Hier finden Sie alle relevanten Informationen zum PLA-Filament für den 3D Druck. 

PLA-Beispieldrucke
PLA-Beispieldrucke, u.a. mit Effektfilamenten: Kupfer-Metallic, Marmor und blau transparent

Grundlegende Eigenschaften von PLA und Vergleich mit ABS

PLA gehört zu den auch „Bioplastik“ genannten synthetischen Polymeren. Diese werden aus nachwachsenden Rohstoffen anstelle von Mineralöl gewonnen. Der thermoplastische Kunststoff wurde schon 1845 von Théophile-Jules Pelouze entdeckt. In den 50er Jahren patentierte Dupont ein Verfahren zur Massenproduktion des zur Gruppe der Polyester gehörenden Materials. Im Fused Deposition Modelling (FDM) leistet PLA in vielem mehr als das ursprünglich für den 3D-Druck eingesetzte ABS. Das gängige Industrieplastik ABS wird bei der Herstellung von zahhlosen Gebrauchsgegenständen und Kunststoffteilen (z.B. im Auto) verwendet. Auch LEGO-Steine sind beispielweise in ABS gefertigt. Ein weiteres Beispiel ist die ABS-Vollkunststoffkarosserie des von 1968 bis 1988 gebauten Geländewagens Citroën Méhari.

PLA wird u.a. in der Lebensmittelindustrie (z.B. für kurzlebige Verpackungen), für Windeln, Luftpolsterbeutel, Hygieneartikel und Büroartikel genutzt. Auch in der Medizin (z.B. für temporäre Implantate ohne Entfernungs-Operation, da diese der Körper selbst abbaut) oder der Landwirtschaft (z.B. für unterpflügbare Mulchfolien oder Halterungen, die nach der Ernte nicht eingesammelt werden müssen) wird Polylactid eingesetzt. Die recht geringe Entflammbarkeit und Dichte machen das Material attraktiv für viele weitere Einsatzzwecke wie etwa Funktionsbekleidung.

Der Biokunststoff bietet ähnlich gute Eigenschaften für den 3D-Druck wie ABS. Zum Beispiel eine hohe Kratzfestigkeit, Beständigkeit gegen Wasser, Alkohol, Öle und Fette. Es hat auch einen hohen Elastizitätsmodul, also eine gute Formstabilität. Weniger ausgeprägt sind die Temperaturbeständigkeit und Schlagzähigkeit. Darüber hinaus ist das Bio-Filament per se als lebensmittelecht eingestuft. Ein Druck von Besteck oder (Koch-)Geschirr empfiehlt sich dennoch nicht: Das Objekt überlebt wegen des niedrigen PLA-Schmelzpunkts die Spülmaschine nicht. Und in den winzigen Rillen eines 3D-Drucks können sich zudem Keime und Bakterien festsetzen und gedeihen. All diese Angaben beziehen sich zunächst auf reines PLA. Filamente aus modifiziertem Polylactid können daher auch deutlich andere Eigenschaften zeigen.

Es gibt insgesamt 302 Produkte aus dem Material PLA in unserem Shop.
magenta, pink, green, natural, black, violet, yellow, brown, cyan, metallic, grey, red, orange, special, blue, white, matt_black
Durchmesser2,85mm, 1,75mm
160, 195, 200, 140, 205, 210, 180, 150, 190
Gewichte101g - 500g, 501g - 1000g, 1001g - 2000g, 2001g - 8000g
Farbenlila, gelb, schwarz, weiss, mit Naturpartikeln, grün, türkis, metallic, transparent, grau, blau, braun, orange, natürlich (ungefärbt), rot, multicolor, rosa
Eigenschaftennicht entflammbar, farbwechselnd (Temperatur), mit Holzpartikeln, mit Seidenglanz, schneller Druck, biologisch abbaubar, mit Mischpartikeln, mit Korkpartikeln, temperaturstabil, phosphoreszierend
MarkenFormfutura, ColorFabb, Verbatim, Ampertec, Extrudr, Innofil3D, Avistron
195, 200
65, 70, 50, 90, 60
hellblau, grün/grün phosphoreszierend, economywhite, silber mit Perlglanz, lightgrey, froschgrün, bronze, economy black, anthracit mit Perlglanz, economy red, schokoladen braun, Easy Wood Cedar, Easy Wood Pine, neon-rot, weiss, yellow, leuchtgrün, eisblau, transparent, rötlich mit Holzpartikeln, violett, gold, perlweiß, Wood green, Temperatur-Farbwechsel blaugrün-gelbgrün, Wood nature, black, grau, natürlich, gelb mit Perlglanz, blue, dunkelgrün transparent, purple, aquamarinblau, grau mit Perlglanz, red, weiss mit Perlglanz, white, lightblue, blau transparent, Easy Wood Olive, C.C.Transparent, Solar Yellow, brown, Easy Wood Willow, Pearl, luminous yellow, dunkelgrün, Wood Fichte, orange transparent, Temperatur-Farbwechsel blau-weiss, weiß, green, gelb, schwarz, graumeliert in Marmoroptik, Wood naturewhite, grey, hautfarben, neon-blau, Easy Wood Birch, Multicolor flower, Frosty White, economy white, Easy Wood Ebony, silber metallic, sliver/metalgrey, Atomic Green, neon-gelb, darkblue, Dutch Orange, natural, grün, light, schwarz mit Perlglanz, silver, silver/metalgrey, Multicolor mountain, pink, darkgreen, Flaming Red, dark, Strong Black, Multicolor ocean, gelbgold, lila, rot mit Perlglanz, armygrün, Wood black, himmelblau, blau mi tPerlglanz, Temperatur-Farbwechselgrau-weiss, Wood white, Robotic Grey, off-black, hellgrau, lightgreen, natural transparent, Temperatur-Farbwechsel lila-pink, weiss/grün phosphoreszierend, Ocean Blue, Multicolor fall, magenta, neon-grün, glow in the dark green, feuerrot, silber, economy silver, blau, rot, dunkelblau, grün mit Perlglanz, Easy Wood Coconut, sonnengelb, blau mit Perlglanz, blaut ransparent, orange, braun, blau phosphoreszierend, Sweet Purple
225, 260, 230, 235, 240, 210, 180, 250, 220, 190
0, 60

Was ist PLA genau?

Das Kürzel PLA steht für Polylactic Acid und leitet sich damit von einer englischen Bezeichnung für polymerisierte Milchsäure ab. In diesem Namen zeigt sich bereits der organische Ursprung des 3D-Druckmaterials. Dessen Herstellung benötigt keine fossilen Rohstoffe, es wird zumeist aus Maisstärke oder Zuckerrüben gefertigt. Milchsäure entsteht bei zahlreichen Stoffwechselvorgängen, auch im menschlichen Körper, insbesondere aus Zucker. Erhöhte Milchsäurekonzentration durch anaerobe Verstoffwechselung von Glucose in der Muskulatur ist im Volksmund als „Muskelkater“ gefürchtet. Ihren Namen hat sie von Sauermilchprodukten wie Buttermilch, Joghurt oder Kefir. Aus diesen wurde Milchsäure ursprünglich isoliert.

Die Moleküle der Milchsäure bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen. Deswegen produziert eine vollständige Oxidation lediglich Kohlendioxid und Wasser. Dies ist einer der Gründe für die günstigen ökologischen Eigenschaften des aus Milchsäure gewonnenen Kunststoffs Polylactid. Dieser unterscheidet sich in reiner Form nur durch die Verkettung der Moleküle vom Grundstoff. Dabei spalten zwei Milchsäuremoleküle je eine OH-Gruppe ab und schließen sich mit einem der Sauerstoffatome zusammen. Dadurch wird ein Wasserstoff-Atom frei, das sich mit der OH-Gruppe zu Wasser vereinigt. Die Chemie spricht hier von einer Veresterung.

Entsorgung und Recycling von PLA

Ein Argument für die Verwendung von Polylactid für den 3D-Druck sind die vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der Entsorgung. Trotz der Einstufung als biologisch abbaubar nach DIN EN 13432 ist aber auch reines PLA unter normalen Umgebungsbedingungen stabil. Der Begriff biologische Abbaubarkeit bezieht sich auf die ausreichend schnelle Zersetzung des Materials. Dies ist jedoch hauptsächlich unter den speziellen Bedingungen einer industriellen Kompostierung möglich. Das heisst Polylactid-Materialreste und -Abfälle eignen sich weniger für die Kompostierung im eigenen Komposthaufen. Denn dieser erreicht die nötige Temperatur von mindestens 55 °C in der Regel nicht. In der Natur (eingegraben) oder auf dem Komposthaufen kann die Zersetzung schon über ein Jahr dauern. Das bedeutet jedoch auch, dass man keine Bedenken haben muss, dass PLA-Druckobjekte einfach so verrotten. Selbst Gartenarmaturen können –je nach Einsatzzweck- problemlos mehrere Jahre halten.

Eine weitere Möglichkeit der Entsorgung ist ein Recycling des Materials. Bei diesem werden die Molekülketten thermisch wieder aufgebrochen und das Polymer somit in einen monomeren Zustand zurückgeführt. Dieses kann anschließend ohne Qualitätsverlust wieder als Ausgangsstoff für die Polymerisation zu Polylactid genutzt werden.

Verbesserte PLA-Varianten und biologische Abbaubarkeit

Darüber hinaus kann die biologische Abbaubarkeit durch Zusätze verändert werden. Diese kommen bei PLA-Filament häufig zum Einsatz. Denn das reine Milchsäurepolymer ist, abhängig vom Kristallisationsgrad, weitgehend bis vollständig transparent. Jedes opake, d.h. undurchsichtige PLA-Filament, ist daher eingefärbt. Aber auch zur Änderung der technischen Eigenschaften werden Zusätze genutzt. Der 3D-Druck hat den englischen Begriff „Blend“ entlehnt. Dies bezeichnet ein durch andere Polymere oder chemische Zusätze modifiziertes Polylactid.

Verbesserte Varianten des Biopolymers werden gerne als „PLA+“ verkauft. Einfaches Polylactid hat beispielsweise einen kleineren Temperatureinsatzbereich als ABS, welcher bis etwa 50 °C reicht. Die Glasübergangstemperatur, ab der Polylactid gummiartig weich wird, liegt bei circa 60 °C. Der nutzbare Temperaturbereich lässt sich unter anderem durch eine Copolymerisation mit anderen Kunststoffen oder durch Zusatz hitzebeständiger Materialien erweitern. Hochtemperaturbeständiges Polylactid wird mit einer Temperaturstabilität von 80 bis 150 °C angeboten. Es gibt aber auch  für schnellen Druck, bessere Schlagfestigkeit und/oder weniger Zerbrechlichkeit optimierte PLA-Blends. Die Frage, ob solche modifizierten Polylactid-Varianten noch biologisch abbaubar sind, lässt sich nicht allgemein beantworten. Dies muss für jeden PLA-Blend einzeln geprüft werden. Die Hersteller-Dokumentation gibt darüber meist Auskunft.

Variable Materialeigenschaften von reinem PLA

Auch ohne Zusätze lassen sich bei Polylactid einige Modifikationen der Stoffeigenschaften erzielen. Wie Sie vielleicht schon von Milchprodukten (z.B. Joghurt) wissen, ist Milchsäure chiral. D.h. es gibt sie in einer optisch rechts- und linksdrehenden Form. Die Auswahl beziehungsweise das Mischungsverhältnis der beiden Isomere beeinflusst auch die Eigenschaften des daraus hergestellten Kunststoffs. Daher wird zwischen Poly-D-Lactid (PDLA) und Poly-L-Lactid (PLLA) unterschieden. Bei reinem Polylactid herrscht ohne besondere Maßnahmen die L-Form vor. Durch eine Copolymerisation mit PDLA lässt sich insbesondere die Wärmeformstabilität von Polylactid erheblich verbessern. Der Grund: Das rechtsdrehende Isomer fördert die Kristallisation.

Wie haltbar sind aus PLA gedruckte Objekte?

Die vergleichsweise geringe Hitzebeständigkeit und das eher spröde Bruchverhalten von reinem Polylactid ist ein Aspekt. Abgesehen davon zeigen Objekte aus diesem Biokunststoff jedoch eine gute Haltbarkeit. Die Sprödheit korreliert mit einer großen Härte und damit einer hohen Kratzfestigkeit. Der für die Steifigkeit relevante E-Modul beträgt etwa 2,7 bis 4 GPa im Vergleich zu 2,3 GPa bei ABS. 

Polylactid ist beständig gegenüber Aceton, das gerne zum chemischen Verschweißen von ABS genutzt wird. Dieses macht Polylactid nur weich, löst es aber nicht auf. In Di- und Trichlormethan (auch als Abbeizmittel/Farbentferner bzw. Chloroform bekannt) ist der Biokunststoff hingegen löslich. Mit diesem Lösungsmittel können Sie es verschweißen und nachbehandeln. Aufgrund der hohen Giftigkeit von Di-/Trichlormethan ist zum reinen Zusammenkleben von Druckteilen jedoch Sekundenkleber empfehlenswerter.

PLA und UV-Beständigkeit

In Bezug auf die Feuchtigkeitsaufnahme und die UV-Versprödung finden Sie zu Polylactid völlig gegensätzliche Informationen. UV-Versprödung ist bei den meisten Kunststoffen bei der Verwendung im Außenbereich ein Problem. Z.B. in einer Studie der Universität Stuttgart von 2015 zu Anwendungsmöglichkeiten biobasierter Kunststoffe im Gebäude-Innen- und -Außenraum. Dieser stellt bei Untersuchung eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme von 1% bei einfachem PLA (Natureworks Ingeo 3251D) fest. Bei ebenfalls untersuchten PLA-Compounds sank die Feuchtigkeitsaufnahme unter die Nachweisgrenze.

Im gleichen Zusammenhang attestiert der Forschungsbericht der Universität Stuttgart den untersuchten Polylactid-Werkstoffen eine hohe UV-Beständigkeit. Das relativiert sich jedoch beim Vergleich mit den transparenten und 3D-druckbaren Kunststoffen Polycarbonat (PC) und Polymethylmethacrylat (PMMA). Diese sind besser bekannt unter dem Markennamen „Plexiglas“.

Weitere wissenschaftlich gesicherte Informationen liefert eine vergleichende Studie des führenden PLA-Hersteller Natureworks aus dem Jahr 2005. Sie attestiert Textilfasern aus Ingeo PLA eine bessere UV-Beständigkeit als für herkömmliche Polyester- und Polyacryl-Fasern. In Bezug auf den Verlust der Zugfestigkeit durch UV-Bestrahlung liegt PLA mit Polyacryl gleichauf an der Spitze. Die Polylactid-Fasern zeigen aber eine bessere Farbechtheit als Polyacryl.

Die UV-Beständigkeit gefärbter Kunststoffe steigt im Allgemeinen an, da die Farbpigmente auch UV-Strahlung absorbieren. Eine hohe UV-Beständigkeit lässt sich daher zum Beispiel durch eine Schwarzfärbung des Kunststoffs mit Ruß erreichen. Dies verändert die übrigen Materialeigenschaften kaum. Die Absorption der Lichtenergie verursacht jedoch eine zusätzliche Wärmebelastung. Daher sollten Sie bei Polylactid-Drucken für den Außenbereich oder in sonnigen Vitrinen einen temperaturstabilen PLA-Blend wählen.

Typische 3D-Druckeigenschaften von Polylactid

Kein anderes 3D-Druckmaterial ist so einfach zu drucken und liefert dabei so gute Ergebnisse wie PLA. Deshalb ist es das Material der Wahl für 3D-Druck-Einsteiger, wird aber auch gerne von Profis eingesetzt. Polylactid ist beim 3D-Druck allgemein einfach zu verarbeiten und kostengünstig. PLA-Filamente zeichnen sich unter anderem durch nahezu keine Schrumpfung beim Abkühlen, d.h. gute Haftung auf dem Druckbett und die niedrige Verarbeitungstemperatur aus. Dies stellt weniger Ansprüche an den 3D-Drucker (z.B. Hochtemperatur-Hotend, Klimakammer, beheiztes Druckbett).

Der Biokunststoff bietet auch extreme Präzision beim Druck, die kein anderes Material erreicht. So ist es z.B. das einzige 3D-Druckmaterial, das sich für ultradünne Schichten (0.05mm) eignet. Der Schmelzpunkt von reinem PLA liegt zwischen 150 und 160 °C. Für die Verarbeitung benötigen Sie im Allgemeinen auch kein beheiztes Druckbett. Die Haftung von Polylactid am kalten Bett reicht zumeist aus. Auch diese Eigenschaft kann bei einzelnen PLA-Blends unterschiedlich ausfallen. Zuverlässige Informationen finden Sie zum Beispiel in den Werkstoffdatenblättern der Hersteller.

Für Nachbehandlung mit spanenden Fertigungsverfahren eignen sich Druckobjekte aus Polylactid wegen der geringen Duktilität des Werkstoffs weniger gut. Denn es brechen leichter Teile aus als bei weniger spröden Kunststoffen. Falls Sie eine spanende Nachbehandlung wie z.B. Bohren planen, sollten Sie mit dicken Wänden und viel Füllung drucken.

Typische Fehler beim 3D-Druck mit PLA und wie Sie diese vermeiden

Beim 3D-Druck mit PLA treten Qualitätsmängel vor allem als Tropfenbildung (Oozing) und als Fäden (Stringing) auf. Letzteres spannt sich wie Spinnweben zwischen frei stehenden Partien des Druckobjekts. Beides lässt sich durch eine Druckerfunktion namens Retraction verhindern. Diese können Sie in ihrem Slicer einschalten und optimieren. Sie bewirkt, dass der Drucker vor dem Leer-Bewegen des Druckkopfs das Filament etwas zurück zieht. Auf diese Weise kann kein flüssiges Material mehr ungewollt aus der Düse austreten. Auch als Folge einer zu hohen Drucktemperatur kann Stringing und Oozing auftreten. Die richtige Einstellung für die Extruder-Temperatur hängt extrem vom verwendeten PLA-Blend ab. Sie liegt zwischen 160 und 250 °C. Achten Sie hier auf entsprechende Angaben des Filament-Herstellers.

Aufgrund der niedrigen Glasübergangstemperatur können bei PLA leichter Artefakte entstehen. Beispielsweise dadurch, dass die vorherige Druckschicht noch nicht erstarrt ist, wenn der Druckkopf die Stelle erneut passiert. Dem können Sie durch eine rasche Abkühlung des Druckobjekts vorbeugen. Für den Druck mit dem Bio-Filament benötigen Sie daher keinen beheizten Druckraum. Eine dedizierte Kühlung für das Druckobjekt ist viel sinnvoller. Hierfür sind auch universelle Nachrüstsätze mit Lüftern erhältlich. Diese lassen sich am 3D-Drucker montieren und bewirken eine allseitig gleichmäßige Abkühlung. Der Druckobjekt-Lüfter sollte bei PLA-Druck immer laufen, da es fast keine Schrumpfung gibt. Dies hilft insbesondere bei Brücken und Überhängen.

Alternativ, bei kleinen Objekten auch zusätzlich, können Sie die Druckgeschwindigkeit reduzieren. Dadurch haben die einzelnen Druckschichten mehr Zeit zum Abkühlen. Die langsamere Abkühlung hat gerade bei Polylactid-Filamenten mit hoher Temperaturbeständigkeit einen Vorteil: Sie begünstigt die Kristallisation.

Spezialfilamente aus PLA

Polylactid eignet sich gut für die Kombination mit Füllstoffen, wie zum Beispiel Holzpartikeln, Karbonfaserpartikeln oder Metallpulver. Damit lassen sich verschiedene Variationen der Materialeigenschaften erreichen, die sich mit anderen Mitteln nicht realisieren lassen.

Durch den Zusatz von Metallpulver lässt sich ein deutlich höheres spezifisches Gewicht erzeugen. Auch eine metallisch glänzende Oberfläche wirkt bei einem 3D-Druck wertig und außergewöhnlich. Als 3D-Filament verfügbare Metalle sind z.B. Kupfer, Messing, Bronze oder Edelstahl. Die mit Metall-PLA-Filament (mit bis zu 80% Metallpulver) gedruckten Objekte ähneln nicht nur im Aussehen, sondern auch im Gewicht Gegenständen aus massivem Metall. Hierfür ist jedoch etwas Nachbearbeitung nötig, z.B. Schleifen und Polieren  Doch Vorsicht: Die Drucke sind nicht aus solidem Metall, sondern immer noch aus Metallpartikeln in Plastik. D.h. man sollte nicht die Härte, Lösungsmittelresistenz und Belastbarkeit von echtem Metall erwarten.

Metallfilamente sind sehr abrasiv beim Druckvorgang. Deshalb sollten Sie dafür Extruder mit speziellen, verschleißresistenten Düsen aus gehärtetem Stahl oder Rubin einsetzen. Sonst wird aus einer Düse mit 0.4 mm Durchmesse schnell 0.5 mm oder mehr. Es gibt jedoch auch Metall-Blends mit deutlich geringerem Metallanteil (ca. 10%). Diese sind viel einfacher zu drucken, benötigen keine Nachbearbeitung und sind deutlich weniger abrasiv.

Die Materialeigenschaften von mit Natur-Partikeln angereichertem Polylactid sind mit denen von Wood-Plastic-Composite-Werkstoffen (WPC) vergleichbar. Diese können mit herkömmlichen Verfahren der Kunststofftechnik verarbeitet werden. Manche Holzfilamente ändern die Färbung mit der Drucktemperatur dauerhaft. Dadurch ermöglichen Sie sogar naturgetreue Maserungen und Jahresringe durch Temperaturvariationen während des Drucks. Dies setzt allerdings Unterstützung in der genutzten 3D-Drucksoftware (Slicer) voraus.

Ein weiterer Grund für den Einsatz von Faserverbundwerkstoffen ist auch beim 3D-Druck die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. So lässt sich zum Beispiel der Biege-Elastizitätsmodul von PLA durch den Zusatz von Naturpartikeln verdoppeln. Das Drucken von extrahartem glasfaser- und kohlefaserpartikel-verstärktem PLA (GFK und CFK) ist ebenfalls möglich. Dies ist jedoch ebenfalls sehr abrasiv.

Optisch schicke PLA-Varianten

Auch PLA-Blends zur optischen Aufhübschung sind beliebt. nicht nur die erwähnten Holz- und Metall-Blends. Es gibt auch phosphoreszierendes PLA, das im Dunkeln leuchtet. Graumeliertes Filament mit schwarzen Partikeln sorgt für Drucke in Marmor-Optik. Auch PLA mit Glitzer-Partikeln wird angeboten. Mit diesem sieht das Druckobjekt deutlich schicker aus als in einer soliden Farbe gedruckt. Selbst PLA ist erhältlich, das seine Farbe mit der Temperatur oder bei UV-Licht verändert.

Drucke mit Temperatur-Farbwechsel-PLA
Drucke mit Temperatur-Farbwechsel-PLA

Daten & Fakten für PLA

Chemische Bezeichnung Polylaktid/Polymilchsäure (Polylactic Acid)
Druckgeschwindigkeit 30-80 mm/s
Dichte 1,21 - 1,25 g/cm3
Schmelztemperatur 195 - 220°C
Heizbett-Temperatur aus oder 50 - 60°C
Zugdehnung 6 - 15%
Witterungsbeständigkeit schlecht (weichpunkt niedrig & spröde)
Wärmeformbeständigkeitstemperatur 45 - 60°C
Schlagfestigkeit 4,5 - 6 KJ/m2
Biegemodul ca. 3 GPa

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