Grundkenntnisse über Materialien für 3D-Drucker

Materialien für 3D-Drucker

3D-Drucker verwenden je nach Formverfahren unterschiedliche Materialien. Da die Materialien bei allen Druckmethoden schichtweise aufgebracht werden, liegen 3D-Drucke hinsichtlich der Festigkeit hinter dem Zerspanen und dem Spritzguss zurück.

ABS-Filament

Aufgrund der hohen Funktionalität werden diese Kunststoffe auf vielfältige Weise verwendet, wie etwa für die Gehäuse von Elektrogeräten sowie als Konstruktionsmaterialien. Sie zeichnen sich durch eine hohe Viskosität und Festigkeit aus und können mit Schleifpapier nachbearbeitet und lackiert werden. 3D-Drucker schmelzen den Kunststoff bei Temperaturen ab 200ºC.
Der Druckvorgang erfolgt schichtweise mithilfe einer einzelnen Düse. Da sich das Modell während des Abkühlens zusammenzieht und verformt, muss der Druckraum des 3D-Druckers mitunter beheizt werden, um die Form beizubehalten.
Aufgrund des relativ großen Düsendurchmessers liegt die Schichtdicke bei ca. 0,2 mm, weshalb sich der 3D-Druck nicht für den Feindruck eignet.

PLA-Filament

PLA-Harz wird aus Pflanzenextrakten (Getreide, Rüben, Kartoffel, Zuckerrohr usw.) hergestellt. Der typische Harzgeruch tritt selbst während des Schmelzvorgangs in einem 3D-Drucker nicht auf. Im Gegensatz zu ABS-Filament schmilzt PLA-Harz bei niedrigen Temperaturen und verformt sich während des Abkühlens kaum. Daher besteht selbst bei großen Modellen nicht die Gefahr, dass sie sich verformen. PLA-Filament lässt sich jedoch schwer nachbearbeiten und nimmt Farbe schlecht an.

Acrylharz

Das Kunstharz ist hoch transparent. Darüber hinaus lässt es sich leicht färben und wird unter anderem häufig in Gebäude- und Fahrzeugfenstern, Beleuchtungsabdeckungen, Schildern und als Ersatz für anorganisches Glas eingesetzt. Acrylharz wird im 3D-Drucker mit der Inkjet-Technologie verwendet, da die Aushärtung mit UV-Licht vergleichsweise schnell erfolgt. Da das flüssige Harz in kleinen Tropfen aufgebracht werden kann, eignet es sich für Feindrucke. Die Transparenz des Harzes ermöglicht einen Blick auf das Innere der Modelle. Aufgrund der Wasserabsorption und der geringen Hitzebeständigkeit können sich die Modelle jedoch nach dem Drucken verformen.

Epoxidharz

Dieses thermisch aushärtende Harz wird in Klebstoffen und Lacken verwendet.
Aufgrund seiner sehr hohen Form- und Chemikalienbeständigkeit sowie der elektrischen Isolierung kommt es in den Leiterplatten elektronischer Geräte und in Chipgehäusen zum Einsatz. Im Vergleich zu Acrylharz härtet es unter UV-Licht langsam aus und wird daher normalerweise in optischen Druckern verwendet. Die Verarbeitung ist nicht ganz einfach, da sich die Härtungsreaktion auch nach der UV-Bestrahlung weiter fortsetzt. Aufgrund seiner Hitze- und Chemikalienbeständigkeit ist es jedoch vielfältig einsetzbar.

Nylon (PA: Polyamid)

Diese feine synthetische Polyamidfaser wird aus einem sehr feinen Pulver hergestellt. Das poröse Material hat eine leicht raue Oberfläche. Es ist nicht nur fest, sondern auch formbar und behält beim Biegen seine Form bei.
Es kommt in Windschutzvorrichtungen ebenso wie in Schwimmbekleidung, Angelschnüren usw. zum Einsatz. Der Werkstoff wird zum Lasersintern mit 3D-Druckern verwendet, wobei die Partikel einer feinen Pulverschicht mittels Laser verschmolzen werden. Dank seiner Festigkeit kann es beispielsweise zum Testen von Schnapphaken verwendet werden.

Gipspulver

Dieser Gips wird mittels Pulverauftrag verwendet. Er kann während des Druckens mit einer Zugabe aus Bindemittel gefärbt werden und findet beim Drucken von Modellen und Figuren Einsatz. Da Gipspulver günstig ist, halten sich die Materialkosten im Rahmen.
Weil der Gips jedoch nur in Kombination mit einem Bindemittel aushärtet, eignet er sich nur zum Prüfen äußerst spröder Modelle.

Metalle

Derzeit können nur bestimmte Metalle für 3D-Drucker verwendet werden, darunter verschiedene Edelstähle sowie Titan, Kupfer und Aluminium.
Für den Prototypenbau werden normalerweise 3D-Drucker eingesetzt, die Kunststoff-Harze als Druckmaterial nutzen. Gedruckte Metallteile werden beispielsweise in Flugzeugen verbaut. Bei Serienproduktionen können jedoch potenzielle Probleme auftreten, wie z.B. die Deformierung von Druckteilen oder die vergleichsweise lange Druckzeit.

Einsatz von Werkstoffen und Eigenschaften nach Schichtverfahren

Schichtverfahren	Eigenschaften	Materialbeispiele
Fused Deposition Modeling （FDM）	Durch Aufschmelzen und Auftragen von Thermoplasten über eine Düse werden Schichten erzeugt. Dies ist das gängige FDM-Verfahren bei kostengünstigen 3D-Druckern.	Acrylnitril-Butadien-・Styrol (ABS) Polylactid (PLA) Polycarbonat (PC)
Lasersintern	Das pulverförmige Material wird mithilfe eines Lasers in Schichten verschmolzen. Metallische Werkstoffe können verwendet werden.	Metalle Nylon Polypropylen (PP)
Stereolithographie	Mit einem UV-Laser werden Schichten aus Flüssigharz ausgehärtet.	Epoxidharz
Inkjet-Technologie	Unter UV-Licht aushärtbares Harz wird über Tintenstrahldruckköpfe aufgetragen und schichtweise durch UV-Licht ausgehärtet. Aufgrund der geringen Schichdicke ist ein hochauflösendes Drucken möglich.	Acrylharz
3D-Gipsdrucker	Die Schichtenbildung erfolgt durch Aushärten von pulverförmigem Gips. Auch der Vollfarbdruck ist möglich.	Gips