Leitfaden zum 3D-Druck flexibler Teile: Verfahren, Materialien und Anwendungen im Vergleich

Der FDM-3D-Druck, bei dem eine Düse eine Spule Hartplastikfilament schmilzt und extrudiert, um das Teil Schicht für Schicht aufzubauen, ist aufgrund des niedrigen Einstiegspreises und der leicht verständlichen Technologie vielleicht die bekannteste Art des 3D-Drucks. Es gibt viele verschiedene Arten von FDM-Materialien, darunter mehrere flexible Filamente.

Die Vorteile des FDM-3D-Drucks mit flexiblem Filament sind, dass sich simple biegsame Teile oder Prototypen einfach und kostengünstig herstellen lassen. Flexible FDM-3D-gedruckte Teile haben eine hohe Elastizität, Stoßfestigkeit, Vibrations- oder Stoßdämpfung und Dehnbarkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich flexible FDM-Filamente ideal für erste Prototypen von Dämpfern, Aktuatoren oder End-of-Arm-Tooling oder weichen und dehnbaren Gehäusen.

Da flexible Filamente jedoch selbst im geschmolzenen Zustand während der Extrusion eine gewisse Dehnbarkeit beibehalten, kommt es beim FDM-3D-Druck dieser Materialien häufig zu Problemen mit der Druckqualität. Designmerkmale wie Überhänge und Brücken führen häufig zu Problemen wie Fadenbildung, ungleichmäßiger Oberflächenbeschaffenheit, verstopften Extrudern und unzureichender mechanischer Leistung. Da FDM-Druckteile nicht chemisch isotrop sind, können sich die Schichten während der Dehnung trennen. Wenn der Zweck eines Teils darin besteht, sich zu dehnen und in seine Form zurückzuspringen, führt diese Schichtentrennung häufig zu einem Versagen des Teils.

Außerdem kann sich jede ruckartige Bewegung oder versehentliche Abweichung vom programmierten Pfad des Extruders negativ auf die Aushärtung solcher Filamente auswirken: Flexible Filamente sind anfälliger für schlechte Haftung als starre Filamente, sodass der Drucker vollkommen stabil bleiben muss und die Düse und der Extruder sich sehr langsam bewegen sollten, damit ausreichend Zeit zum Extrudieren und Aushärten bleibt.

Die meisten FDM-3D-Drucker sind mit flexiblem Filament kompatibel. Um die Suche nach einem FDM-Drucker einzugrenzen, der sich besser für flexible Materialien eignet, sollten Drucker vorgezogen werden, die den Extruder auf etwa 220 °C beheizen können und über ein beheiztes Druckbett, einen Extruder mit Direktantrieb (zur Minimierung der Fadenbildung), steuerbare Vorschubgeschwindigkeiten (zur Änderung der Extrusionsgeschwindigkeit) und einen Kühlungslüfter verfügen.

Flexible 3D-Druck-Filamente können alle als thermoplastische Elastomere (TPE) klassifiziert werden, da sie sich bei Wärmeeinwirkung verändern und elastomerische Eigenschaften aufweisen. Die Bezeichnung TPE kann sich aber auch auf eine bestimmte Art von Filament beziehen. Die fünf gängigsten flexiblen Filamente sind:

TPU (thermoplastisches Polyurethan): TPU ist eine der gängigsten Arten von flexiblen Filamenten. Es ist robust, hält Stößen und allgemeiner Abnutzung stand und ist in verschiedenen Farben erhältlich. Viele Produkte, die wie Gummi aussehen, sind in Wirklichkeit aus TPU hergestellt. TPU ist etwas starrer als andere thermoplastische Elastomere und unter den flexiblen Filamenten daher am einfachsten druckbar, da die Gefahr des Fadenziehens oder Auslaufens geringer ist. Der FDM-3D-Druck mit flexiblem TPU-Filament ist eine gute Lösung für das frühe Prototyping. Bei funktionalen Prototypen und Teilen für die Endverwendung kann seine Anisotropie jedoch zu einer schlechteren Leistung führen.

TPC (Thermoplastischse Copolyester): TPC ist ein flexibles 3D-Druck-Filament auf Polyesterbasis mit guter thermischer und chemischer Beständigkeit, das aber weniger flexibel ist als andere TPEs. Einige gängige Beispiele für TPC-Teile sind Stoßdämpfer, flexible Belüftungskanäle und weichere Gehäuse, Abdeckungen und Verkleidungen zum Schutz vor Druck oder Stößen. Beim Druck mit TPC ist es wichtig, das Material vor dem Drucken auf Umgebungstemperatur zu bringen, einen Extruder mit Direktantrieb zu verwenden und die Extrudertemperatur auf mindestens 230 °C zu halten.

TPA (thermoplastisches Polyamid): TPA ist ein chemisches Copolymer aus TPE und flexiblem Nylon, das glatt und hochflexibel ist. Diese Kombination aus zwei allgemein bekannten flexiblen 3D-Druckmaterialien ergibt ein glattes, weiches und biegsames Filament. TPA kann wiederholten Stößen oder Druck standhalten und ist sehr langlebig. Es eignet sich für den Druck von Teilen, die wiederholt verdreht, gebogen oder gedehnt werden müssen – das macht TPA zur idealen Lösung für funktionale Prototypen, Wearables und technische Komponenten. Die meisten TPA-Filamente haben eine Shore-Härte von etwa 80A, was in etwa dem entspricht, was man sich unter Gummi vorstellt.

TPE (Thermoplastisches Elastomer): Wie bereits erwähnt, kann sich TPE auf die gesamte Gruppe der elastomerischen Thermoplaste, aber auch auf ein bestimmtes Material beziehen. TPE-Filament ist sehr elastisch und weich, weshalb es sich schwieriger drucken lässt als sein steiferes Gegenstück TPU. Das flexible TPE-Filament neigt zum Auslaufen oder zur Überhitzung, wodurch es die Düsenform nicht halten kann. Daher sollte es sehr langsam gedruckt werden, und zwar mit einem 3D-Drucker, der die Extrudertemperatur einfach und präzise steuern kann. Flexibles TPE-Filament ist eine gute Wahl für den 3D-Druck von Wearables wie Armbändern oder Konsumgütern wie Handyhüllen, die um das Gerät herum gedehnt werden können. 

Weiches PLA: Weiches PLA ist ein flexibles Filament, das aus chemikalisch behandelten organischen Fasern hergestellt wird. Es kann starre Formen leicht beibehalten und kehrt nach einer Druckeinwirkung wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Aufgrund dieser Steifigkeit wird es häufig für Gegenstände wie Reifenprototypen oder zähe Gummiteile verwendet, die ihre Form größtenteils beibehalten müssen. Weiches PLA ist zwar eines der am leichtesten druckbaren flexiblen Filamente, neigt aber eher dazu, den Extruder zu verstopfen, weshalb die Druckgeschwindigkeit reduziert werden sollte. 

Kunstharz- oder Resin-3D-Drucker, wie z. B. SLA-3D-Drucker (Stereolithografie), verwenden einen Laser oder eine andere Lichtquelle, um flüssiges Kunstharz (auch: Resin) in einem Tank Schicht für Schicht auszuhärten. Es sind zahlreiche Optionen flexibler Druckmaterialien verfügbar.

Hersteller von Kunstharz-3D-Druckern stellen ihre Materialien meist selbst her – daher sind sie nicht so leicht zu identifizieren und zu gruppieren wie flexible Filamente für den FDM-Druck. Allerdings haben sie alle ähnliche Eigenschaften, erfordern ähnliche Überlegungen für den Druck und können für eine Vielzahl von Anwendungen in zahlreichen Branchen verwendet werden. 

Selektives Lasersintern (SLS) bezeichnet ein 3D-Druckverfahren mit Pulverbettfusion, bei dem ein Laser Pulverpartikel Schicht für Schicht verschmilzt. Da das ungenutzte Pulver die Teile während des Drucks stützt, lassen sich komplexe, verbundene Designs drucken, ohne dass Stützstrukturen benötigt werden. Ähnlich wie beim FDM-3D-Druck bieten Hersteller von SLS-3D-Druckern Materialien an, die der Industrie wohlbekannt sind, wie Nylon und TPU.

Einer der Vorteile der additiven Fertigung ist die Möglichkeit, ein Material speziell für die jeweilige Anwendung auszuwählen – denn die Bandbreite der Filamente, Harze und Pulver ist groß. Für flexible 3D-gedruckte Teile, die sich wie herkömmlich gefertigte Gummis, Silikone oder thermoplastische Elastomere verhalten, stehen mehrere Technologien, Hersteller und Materialien zur Auswahl.

Das Formlabs-SLA-Ecosystem macht den Kunstharz-3D-Druck biegsamer Teile einfach und intuitiv, indem es zuverlässige Hardware mit spezialisierten, fortschrittlichen Materialien kombiniert, die für bestimmte Anwendungen und Branchen entwickelt wurden. Für den Form 3/B/+ und Form 3L/3BL steht eine breite Palette flexibler Materialien zur Verfügung – darunter auch biokompatible Kunstharze, die neue Anwendungen im Gesundheitswesen und bei der Medizinproduktherstellung ermöglichen. Auch die Nachbearbeitungsschritte werden dank automatisierter Nachbearbeitungslösungen sauber und unkompliziert abgewickelt, was den Kunstharz-3D-Druck zu einer einfachen, sauberen Angelegenheit macht.