Leitfaden über 3D-Druckmaterialien: Arten, Anwendungen und Eigenschaften

Für den 3D-Druck gibt es Dutzende Kunststoffmaterialien, die alle jeweils unterschiedliche Vorteile haben und sich somit für bestimmte Anwendungsfälle anbieten. Um die Wahl des besten Materials für Ihr Teil oder Produkt zu erleichtern, werfen wir zunächst einen Blick auf die wichtigsten Kunststoffarten und die verschiedenen 3D-Druckprozesse.

Es gibt zwei Hauptarten von Kunststoffen:

• Die am häufigsten eingesetzten Kunststoffe sind Thermoplaste. Ihr Hauptunterscheidungsmerkmal von Duroplasten ist ihre Fähigkeit, mehrfach schmelzen und erstarren zu können. Thermoplaste werden erhitzt und dann in die gewünschte Form gebracht. Dieser Prozess ist umkehrbar, da auf chemischer Ebene keine Verbindung eingegangen wird. Somit lassen sich Thermoplaste einschmelzen und wiederverwenden. Man vergleicht sie gerne mit Butter, da diese ebenfalls schmelzen, aushärten und wieder schmelzen kann. Bei jeder Schmelze ändern sich die Eigenschaften jedoch ein klein wenig.

• Duroplaste behalten hingegen nach der Aushärtung permanent die feste Form. Die Polymere in Duroplasten vernetzen sich bei einer Aushärtung, die durch Hitze, Licht oder geeignete Strahlung erzielt wird. Duroplaste zersetzen sich bei Hitzeeinwirkung, anstatt zu schmelzen, und bilden sich beim Abkühlen nicht neu. Die Wiederverwertung von Duroplasten und die Rückführung des Materials in seine Grundbestandteile ist somit nicht möglich. Duroplaste sind vergleichbar mit Kuchenteig. Sobald erst einmal ein Kuchen daraus gebacken wurde, lässt er sich nicht wieder zu Teig zusammenschmelzen.

Die drei am weitesten verbreiteten 3D-Druckprozesse für Kunststoffe sind folgende:

• Schmelzschichtung (FDM, von Englisch „Fused Deposition Modeling“) – dabei wird thermoplastisches Filament geschmolzen, durch eine Druckdüse extrudiert und Schicht für Schicht im Konstruktionsbereich aufeinander gefügt.

• Stereolithografie (SLA) – verwendet einen Laser, um flüssige Kunstharz-Duroplaste zu festen Teilen auszuhärten. Dieser Prozess nennt sich Photopolymerisation.

• Selektives Lasersintern (SLS) – ein Hochleistungslaser verschmilzt kleine Partikel eines Thermoplastpulvers.

Fused Deposition Modeling (FDM) bzw. Schmelzschichtung, auch bekannt als „Fused Filament Fabrication“ (FFF), ist die gängigste Form des 3D-Drucks bei Privatpersonen, was an der immer breiteren Verfügbarkeit entsprechender Geräte für Hobbyanwender liegt.

Diese Technik eignet sich bestens für Machbarkeitsstudien und die kostengünstige Prototypenentwicklung einfacher Teile, wie z. B. für zerspante Teile.

Handelsübliche Schmelzschichtung hat die niedrigste Auflösung und Präzision der 3D-Druckprozesse für Kunststoffe und eignet sich deshalb nur bedingt für den Druck komplexer Designs oder filigraner Details. Hochwertigere Oberflächen lassen sich dabei durch chemische Prozesse oder mechanische Politur erzielen. Industrielle FDM-3D-Drucker verringern dieses Problem teilweise durch chemisch lösbare Stützstrukturen. Außerdem bieten sie eine breitere Auswahl an Thermoplast-Materialien und selbst Verbundwerkstoffe. Jedoch kosten solche Geräte eine Stange Geld.

Wenn die geschmolzenen Fäden zu Schichten zusammengefügt werden, bilden sich gelegentlich Hohlräume zwischen den Schichten, an denen sie nicht fest miteinander verbunden sind. Das Ergebnis sind dann anisotrope Teile, was ein wichtiger Faktor beim Design von Teilen ist, die Lasten tragen oder Zugkräften standhalten müssen.

Die beliebtesten FDM-Materialien sind ABS, PLA und diverse Mischmaterialien. Fortgeschrittenere FDM-Drucker können auch mit anderen Spezialmaterialien drucken, die Eigenschaften bieten wie Wärmebeständigkeit, Schlagfestigkeit, chemischen Widerstand oder Steifigkeit.

Stereolithografie war die erste 3D-Drucktechnologie der Welt und wurde in den 1980er Jahren erfunden. Sie ist bei professionellen Anwendern nach wie vor eine der beliebtesten Technologien. 

SLA-Teile bieten die höchste Auflösung und Präzision, die filigransten Details und die glattesten Oberflächen aller 3D-Drucktechnologien für Kunststoffe. Kunstharz-3D-Druck ist eine großartige Option für detailreiche Prototypen mit engen Toleranzen und glatten Oberflächen sowie Funktionsteile wie z. B. Gussformen, Modelle und Endverbrauchsteile. SLA-3D-gedruckte Teile können außerdem nachbearbeitet werden, durch Polieren, Lackieren, Beschichten und mehr. So lassen sich präsentationsbereite Teile mit hochwertigem Finish erzielen.

Teile aus dem SLA-3D-Druck sind isotrop – ihre Festigkeit bleibt unabhängig von der Ausrichtung gleich, da chemische Verbindungen zwischen den einzelnen Druckschichten bestehen. Dies führt zu Teilen mit vorhersehbaren mechanischen Eigenschaften, wie sie für Anwendungen wie Halterungen und Vorrichtungen, Endverbrauchsteile und funktionsfähige Prototypen erforderlich sind.

SLA-3D-Druck ist äußerst vielseitig. Die Kunstharzformulierungen stehen in Sachen optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften herkömmlichen technischen oder industriellen Thermoplasten in nichts nach. Zudem bietet der Kunstharz-3D-Druck die breiteste Auswahl biokompatibler Materialien.

Die konkrete Materialauswahl hängt in hohem Maße vom Hersteller und vom Druckertyp ab. Formlabs bietet mit über 40 Druckmaterialien für den SLA-3D-Druck die umfassendste Kunstharzbibliothek.

Hersteller und Entwickler verschiedenster Branchen setzen auf den 3D-Druck mit selektivem Lasersintern (SLS), da mit dieser Technologie starke, funktionsfähige Teile hergestellt werden können. Durch geringe Teilkosten, hohe Produktivität und bewährte Materialien eignet sich die Technologie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, vom Rapid Prototyping bis hin zur Herstellung von Fertigungshilfen, Kleinserien-, Übergangs- oder kundenindividuellen Fertigung.

Da das ungesinterte Pulver das Teil beim Drucken stützt, sind keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich. SLS eignet sich somit ideal für komplexe Geometrien wie Merkmale im Inneren von Teilen, Hinterschneidungen, dünne Wände und negative Details. 

Genau wie beim SLA-3D-Druck sind auch SLS-3D-gedruckte Teile isotrop. SLS-Teile haben eine etwas grobe Oberfläche aufgrund des Pulvers, weisen aber praktisch keine sichtbaren Schichtlinien auf. Zudem können SLS-3D-gedruckte Teile leicht nachbearbeitet werden, um ihre mechanischen Eigenschaften und ihre Ästhetik weiter zu steigern.

Verglichen mit FDM und SLA ist die Materialauswahl beim SLS-Druck relativ begrenzt. Jedoch haben die verfügbaren Materialien ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, deren Stärke mit Spritzgussteilen vergleichbar ist. Das am häufigsten für das selektive Lasersintern eingesetzte Material ist Nylon, ein beliebter technischer Thermoplast mit exzellenten mechanischen Eigenschaften. Nylon ist leicht, fest und flexibel und bietet Schlagfestigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Hitzebeständigkeit sowie Beständigkeit gegenüber UV-Licht, Wasser und Schmutz. Weitere beliebte Materialien für den SLS-3D-Druck sind Polypropylen (PP) und das flexible TPU.

Neben Kunststoffen gibt es auch für Metalle mehrere 3D-Druckprozesse. 

• Metall-Schmelzschichtung

Metall-Schmelzschichtungsdrucker funktionieren ähnlich wie traditionelle FDM-Drucker, extrudieren aber Metallstäbe, die von Polymerbindestoffen zusammengehalten werden. Die fertigen „Grünteile“ werden dann in einem Brennofen gesintert, um den Bindestoff zu entfernen. 

• Selektives Laserschmelzen (SLM) und Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

SLM- und DMLS-Metall-3D-Drucker funktionieren ähnlich wie SLS-Drucker, doch anstatt Polymerpulver werden Metallpulverpartikel Schicht für Schicht von einem Laser verschmolzen. SLM- und DMLS-3D-Drucker erstellen starke, präzise und komplexe Metallprodukte, weshalb sich diese Verfahren ideal für die Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und medizinische Anwendungen eignen.

• Titan ist leichtgewichtig und hat hervorragende mechanische Eigenschaften. Es ist stark, hart und höchst widerstandsfähig gegenüber Hitze, Oxidierung und Säure.

• Edelstahl bietet die hohe Stärke und Duktilität und Korrosionsbeständig.

• Aluminium ist leichtgewichtig, haltbar, stark und hat gute thermische Eigenschaften.

• Werkzeugstahl ist ein hartes, kratzerresistentes Material, das man für Endverbrauchswerkzeuge und andere belastungsfähige Teile einsetzen kann.

• Nickellegierungen bieten Zugwiderstand, Zeitstandfestigkeit und Bruchfestigkeit sowie Hitze- und Korrosionswiderstand.

Verglichen mit Kunststoff-3D-Druckern ist Metall-3D-Druck wesentlich teurer und komplexer und somit für die meisten Unternehmen unerschwinglich.

Als Alternative bietet sich SLA-Druck in Verbindung mit Gussverfahren an. So fertigen Sie Metallteile zu niedrigen Kosten, mit mehr Gestaltungsfreiheit und in kürzerer Zeit als bei herkömmlichen Verfahren.

Eine weitere Alternative ist die Galvanisierung von SLA-Teilen, bei der das Kunststoffmaterial via Elektrolyse mit einer Metallschicht überzogen wird. Dieser Prozess kombiniert die besten Eigenschaften eines Metalls – Stärke, elektrische Leitfähigkeit, Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit – mit den spezifischen Eigenschaften des Primärmaterials (für gewöhnlich Kunststoff).

Wie soll man bei all diesen Materialien und 3D-Druckoptionen nur die richtige Wahl treffen?

Hier ist unsere Hilfestellung in drei Schritten zur Auswahl des richtigen 3D-Druckmaterials und Kunststoff-3D-Druckers für Ihre Anwendung.

Kunststoffe für den 3D-Druck haben unterschiedliche chemische, optische, mechanische und thermale Eigenschaften, die die Leistung des 3D-Druckteils bestimmen. Je näher das Teil am Endverwendungsteil ist, desto wichtiger sind die Leistungsanforderungen.

Sobald Sie alle Leistungsanforderungen Ihres Produkts identifiziert haben müssen Sie daraus als Nächstes die Materialanforderungen ableiten – die Eigenschaften, die das Material haben muss, um die Leistung zu erfüllen. Diese Daten finden Sie üblicherweise im technischen Datenblatt des Materials.

Weitere Informationen zu Materialeigenschaften finden Sie in unserem Leitfaden über die wichtigsten mechanischen und thermischen Eigenschaften.

Sobald Sie die Leistungsanforderungen in Materialanforderungen umgemünzt haben, bleibt wahrscheinlich nur noch ein Material oder eine kleine Materialgruppe übrig, das oder die der Anwendung entsprechen. 

Falls mehrere Materialien die Grundanforderungen erfüllen, können Sie andere Faktoren mit einbeziehen, Vor- und Nachteile der entsprechenden Materialien abwägen und letztlich Ihre Wahl treffen.