Nützliche Informationen zum 3D- Druck

Seit mehr als 15 Jahren erlebt der 3D- Druck eine enorme Dynamik. Das Auslaufen von Patenten zum FDM (Fused Deposition Modeling) und der Zugang zu Open Hardware, Open Source sowie die Verfügbarkeit von Cloud Computing haben es ermöglicht, dass 3D- Drucker und die dazu gehörige Software günstig zu erwerben sind. Die Bedienung der Systeme ist heute deutlich einfacher. Damit ist die Möglichkeit gegeben, dass Produkte schnell, flexibel, lokal und preisgünstig hergestellt werden können. Die Materialentwicklung schreitet enorm schnell voran und ermöglicht es, auch Bauteile mit speziellen Eigenschaften zu fertigen. Mit einem Drucker können gleichzeitig mehrere, auch unterschiedliche Bauteile in einem Fertigungszyklus hergestellt werden.

Der 3D- Druck ist ein schichtweiser (additiver) Aufbau von Bauteilen ohne zusätzliche Formwerkzeuge. Solche Drucker sind als Bausätze bereits unter 1000 Euro erhältlich und fertige Systeme beginnen mit 1000 Euro Investitionskosten. Das mitunseren Polymermaterialien nutzbare Verfahren ist die FDM oder FFF (Fused Filament Fabrication) Technologie. Die heute für den Hobby Druck verwendeten Geräte basieren nahezu alle auf der RepRap- und Fab@Home- Initiative.

Um hochwertige Bauteile fertigen zu können, ist es erforderlich, die Wechselwirkungen von Materialien, mechanischen Eigenschaften, dem 3D- Design und den Software Programmen zu verstehen und natürlich auch Erfahrungen zu sammeln.

Die Vorteile des 3D- Drucks sind:

• Geringe Einsteige- und Folgekosten – Investitionskosten sind sehr niedrig und mit der Bereitstellung preisgünstiger Druckmaterialien leisten wir unseren Beitrag für Ihren Erfolg
• Günstige Fertigung von Einzelstücken oder Kleinserien – Voraussetzung sind ein digitales Design, ein Drucker und Rohmaterial. Wir forschen mit Partnern an der Verbesserung der Materialien für den 3D- Druck.
• Komplexität des Designs ist kein Kostenfaktor mehr – Kostenfaktoren werden durch den Materialverbrauch und die Maschinengeschwindigkeit bestimmt. Es können mehrere Bauteile mit unterschiedlichem Design gleichzeitig gedruckt werden.
• Neue Freiheiten im Design sowie Material- bzw. Gewichtseinsparung – Es ergeben sich für Designer und Konstrukteure neue erweiterte Möglichkeiten, die kaum oder nicht mit anderen Verfahren umsetzbar sind. So sind zum Beispiel Hohlräume und Gitterstrukturen einfach erzeugbar.
• Personalisierte Objekte – Die Fertigung individualisierter Designs ist schnell und einfach realisierbar.
• Schnelle Umsetzung von der Idee bis zum Bauteil –
• Produktion auf Nachfrage vor Ort – Die lokale Produktion wird ermöglicht und lange Wartezeiten und Transportkosten werden minimiert.

Welche Materialien werden für den 3D- Druck verwendet?

Es gibt bereits eine Vielzahl von 3D- Druck- Materialien am Markt. Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale der Materialien beziehen sich auf ihre Spezifikation in der Anwendung, z.B. Materialien für Konstrukteure oder für deren Anwendungen. Für den Hobbybereich sind im FDM/FFF- 3D- Drucker hauptsächlich PLA und ABS im Einsatz.

Grundsätzlich sollten Sie bei der Materialauswahl die aktuellen Fortschritte am Markt verfolgen, da eine enorme Dynamik neuer druckfähiger Materialien besteht. Folgende Punkte können bei der Auswahl der 3D- Druck-Filamente hilfreich sein:

• Die Qualität der 3D- Druckmaterialien kann zwischen den Herstellern stark schwanken. Unsere Produkte werden deshalb in einem Prüflabor in regelmäßigen Abständen geprüft. Das Prüfprotokoll für PLA- Filamente können Sie gern bei uns anfordern. Der grundsätzlich angegebene Bereich der Verarbeitung muss in jedem Fall exakt eingehalten werden. Die Sprödigkeit des Materials ist für eine stabile Zuführung genauso notwendig, wie die Durchmesserkonstanz der Filamente.
• Die Durchmesser der Druckfilamente für den FDM/FFF- Drucker liegen bei 1,75 und etwa 2,8 mm. Bei der Angabe 3 mm wird zumeist mit dem Durchmesser 2,8 mm geliefert.
• Je nach Verwendungszweck werden unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen. Die Bauteilfestigkeit, das Verhalten gegenüber UV- Licht, die Temperaturbelastung, Elastizität, Farbe und weitere Verarbeitungsmöglichkeiten sind bei der Auswahl der geeigneten Materialien zu beachten. In verschiedenen öffentlich zugänglichen Quellen finden Sie Aussagen zu den Einsatzmöglichkeiten, Materialeigenschaften und Designtipps.
• Wir als 3D- Druck- Dienstleister bieten Ihnen eine Vielzahl von Materialien an. Die Materialien sind für den Heimbereich und den professionellen Anwender geeignet. Wir entwickeln mit Partnern die Eigenschaften der Druckmaterialien weiter und sind an FuE- Projekten zur Entwicklung neuer Druckmaterialien beteiligt.  

Warum ist PLA 3D- Druck Filament so beliebt?

PLA (Polylactide Acid oder Polymilchsäure) ist ideal für jeden 3D- Druck- Einsteiger. Das Handling ist unkompliziert und es lassen sich stabile und qualitativ gute Druckergebnisse erzielen. Wir haben unsere PLA- Filamente im Vergleich zu anderen Produkten des Marktes durch ein unabhängiges Prüflabor testen lassen und stellen Ihnen gern bei gesonderter Anfrage über unsere E- Mail: info@smart-advanced-systems.de die Untersuchungsergebnisse zur Verfügung. Wir testen darüber hinaus in regelmäßigen Abständen die Qualität unserer Produkte in unabhängigen Prüflabors.

PLA ist ein thermoplastischer Kunststoff, der aus der Fermentierung von Zucker oder Stärke gewonnen wird. Aus diesen Grundbestandteilen wird Milchsäure gewonnen, die anschließend zu PLA polymerisiert wird. PLA- Kunststoffe werden insbesondere im Verpackungsbereich angewendet.

Es ist auf Grund der verwendeten Rohstoffe als nachhaltiges Polymer zu bezeichnen. Es eignet sich im 3D- Druck für eine Vielzahl von Gebrauchsgegenständen im täglichen Haushalt oder für Spielsachen. Das Material ist wasserabweisend, säure- und lichtbeständig. Es verzieht sich beim Abkühlen nicht so stark, wie andere Materialien, da die sogenannte Kristallisation zeitlich deutlich langsamer abläuft. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Farben. Die ideale Drucktemperatur liegt bei 190 – 230°C. Da PLA bereits bei ca. 50°C weich wird, ist eine Lagerung im Auto oder die Verwendung einer Spülmaschine nicht zu empfehlen.

Andere Druckmaterialien

Neben PLA ist ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) ein sehr beliebtes Druckmaterial. ABS basiert auf dem Rohstoff Erdöl und wird sowohl im Hobby- als auch im professionellen Bereich (Spielzeuge, Automobile, Elektronik) angewendet. Im Vergleich zu PLA ist ABS etwas elastischer, stabiler und hält höhere Temperaturen aus. Damit können etwas stärker belastbare Bauteile gefertigt werden. Es gibt ebenso verschiedene Farben. ABS wird bei höheren Temperaturen gedruckt, schrumpft aber beim Abkühlen mit ca. 8% deutlich mehr, als PLA. Diese Schrumpfung muss im Produktdesign bereits beachtet werden. Das Zusammenziehen des Materials führt zu Materialverspannungen, die bereits zu einer geringeren Haftung des Materials auf dem Drucktisch führen. Zur Verminderung solcher Bauteilverzerrungen kann ein Klebeband (z.B. Kapton) auf dem Druckbett und ein beheiztes Druckbett (Druckraum) genutzt werden. Bei Temperaturen von 80 – 110°C haftet ABS auf dem Druckbett besser und tendiert nicht so stark zu Verspannungen. Die verbesserte Haftung auf dem Druckbett führt zu einem größeren Aufwand bei der Entfernung der Bauteile und erfordert zusätzlich eine Spachtel oder ein Messer. Beim Entfernen ist auf mögliche Verletzungsgefahren zu achten. Beim Drucken von ABS können Dämpfe entstehen, die zu Irritation der Atemwege führen können. Deshalb ist auf eine ausreichende Lüftung zu achten. Die Drucktemperatur liegt bei ca. 250°C und das Material erweicht bei ca. 80 °C.

PETG ist ein sogenannter Co- Polyester von Polyethylen Terephtalate der durch Zugabe von Glykol in den Eigenschaften für den 3D- Druck hervorragend geeignet ist. Das PETG- Filament vereinigt die durch PLA und ABS bekannten guten 3D- Druckeigenschaften. Es ist leicht mit hoher Druckgeschwindigkeit bis 100 mm/s druckbar. PETG ist ein ideales Druckmaterial für den Hein- und Hobbybereich. Von großem Vorteil ist es, dass nahezu kein Bauteilverzug (Warping) auftritt. Die Drucktischhaftung ist sehr gut und auch das Ablösen von der Druckplatte ist nach erfolgter Abkühlung problemlos. PETG sollte nicht mit PET verwechselt werden. Es verfügt gegenüber PET deutlich andere Verarbeitungseigenschaften.

Thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis (TPU) gehört zur Polymergruppe der thermoplastischen Elastomere (TPE’s). Es sind Polymere, die bei Raumtemperatur über elastisches Verhalten verfügen und sich dabei wie klassische Elastomere (Gummi) verhalten. Bei der Erwärmung der Polymere ist dann eine plastische Verformung möglich. Es lässt sich bei 190 – 220 °C auch ohne Drucktischbeheizung drucken. Solche flexiblen TPU- Filamente sind für Anwendungen in einem System mit Bowdenschlauch nur bedingt geeignet. Optimal ist es, wenn sich die Materialzuführung direkt über dem Druckkopf befindet. Die Härtegrade werden in Shore- Härte angegeben und liegen für gummiartige Filamente bei 30 – 40. Ab Werten größer 40 gelingt dann auch ein drucken mit Bowdenschlauch recht gut.

High Impact Polystyrene (HIPS) ist ein thermoplastisches Polymer das aus mit Polybutadien- Kautschuk modifiziertes Polystryrol ist. Mit dem Polystyrol als Basispolymer hat es ähnliche Eigenschaften wie ABS. Es kann auf Grund seiner guten Eigenschaften selbst als Druckmaterial verwendet werden, aber auf Grund seiner Löslichkeit in Limonen- Extrakt als Stützmaterial für ABS verwendet werden. Diese Auflösung erfolgt nach Abkühlung in ca. 24 Stunden in einem Limonenbad rückstandsfrei. HIPS ist geeignet für detaillierte Drucke und größere Objekte, da ein geringer „Warping- Effekt“ vorhanden ist. Das Material ist sehr leicht, die Dichte liegt bei 1,04 – 1,08 g/cm³ in Abhängigkeit vom Anteil Polybutadien- Kautschuk. Die Haftung der Schichten ist sehr gut und es ergeben sich glatte Oberflächen. Damit ist es ein hervorragendes Material für den 3D- Druck.

Support-/ Stützstrukturen

Beim Drucken von Überhängen und frei schwebenden Strukturen sind zusätzliche Support- und Stützstrukturen hilfreich. Beim Drucken werden unterhalb der zu stützenden Geometrien zusätzlich feine Säulen oder Gitterstrukturen aufgebracht, die später weggebrochen, weggeschnitten oder aufgelöste werden. Dafür benötigt man einen 3D- Drucker mit Dual Extruder. Entweder verwendet man das gleiche Material oder spezielle Polymere, die in Wasser oder alkalischen Lösungen aufgelöst werden können. Neben dem oben beschriebenen High Impact Polystyrene (HIPS), das in Limonen- Extrakt aufgelöst werden kann, gibt es auch ein wasserlösliches Material. PVA (Polyvinylalkohol). Polyvinyalkohol (auch PVAL oder PVOH) ist thermoplastischer Kunststoff, der durch alkalische Verseifung von Polyvinylacetat gewonnen wird. Der Begriff Verseifung oder Hydrolyse bedeutet eine Spaltung einer chemischen Verbindung durch Reaktion mit Wasser.  Das wasserlösliche Stützmaterial ist besonders für den Druck von PLA geeignet. Polyvinylalkohol ist hervorragend schichtbildend, emulgierend und adhäsiv. Es besitzt eine hohe Zugfestigkeit und Flexibilität. Diese Eigenschaften sind abhängig von der Luftfeuchtigkeit, da der Kunststoff Wasser aufnimmt. Dabei wirkt das Wasser als Weichmacher. PVA verliert bei hoher Luftfeuchtigkeit an Zugfestigkeit gewinnt allerdings an Elastizität. Der Schmelzpunkt liegt bei 190 -230 °C (abhängig vom Hydrolysegrad), die Glasübergangstemperatur liegt bei 85 °C für vollständig hydrolysierten Formen.

Spezialfilamente für den 3D- Druck

Von Spezialfilamenten spricht man, wenn sich verbesserte strukturelle oder funktionelle Eigenschaften ergeben. Dies erfolgt entweder durch die Verwendung von Polymeren mit intrinsischen (im Polymer selbst verankerten) Eigenschaften oder durch Mischungen der Polymere mit Additiven. Durch den Zusatz von Fasern, wie Kohlenstofffasern, werden die strukturellen Eigenschaften der Druckfilamente verändert. Kohlenstoff- Fasern werden aus sogenannten Precursorfasern (hauptsächlich Polyacrylnitrilfasern) durch einen Pyrolyseprozess carbonisiert. Solche Fasern haben einen Durchmesser von ca. 6 µm und zeichnen sich durch eine extrem hohe Festigkeit in Faserrichtung aus. Sie sind aber auch sehr spröde, da deren Bruchdehnung mit 1- 2% sehr niedrig ist. Diese sehr guten strukturellen Eigenschaften der Faser können bei Zumischung zu Standarddruckmaterialien auf das Druckmaterial und damit auf das Bauteil übertragen werden. Carbon Filamente sind generell einfach zu verarbeiten. So werden die strukturellen Eigenschaften, wie der E- Modul und die Zugfestigkeit erhöht, die Dehnung des Materials aber deutlich reduziert. Es kann ein erhöhter Abrieb an der Düse vorliegen, wenn größere Mengen verarbeitet werden. Dies muss bei der Wahl des Düsenmaterials berücksichtigt werden.  Üblicherweise verwendete Messing- oder Aluminiumdüsen sollten durch Stahldüsen ersetzt werden.

Funktionelle Additive können im Filament zum Beispiel elektrische Eigenschaften beeinflussen. So gibt es dabei einen großen Bereich der einstellbaren Leitfähigkeiten in Abhängigkeit vom Additiv und der Konzentration. Für die Kombination mit elektronischen Geräten ist häufig eine elektrostatische Ableitung erforderlich, die eine Zerstörung der Elektronikbauteile durch Berührung verhindert. In diesem Fall spricht man von Conductive Filamenten.

Durch den Einsatz von Zusatzstoffen, wie Metall, Holzmehl und Kreide können ebenso die Eigenschaften der Druckfilamente beeinflusst werden. Dabei steht das optische Design im Vordergrund. Es wird eine metallähnliche Oberfläche gewünscht oder man möchte Baustoffähnlichkeiten im Aussehen und der Haptik erzielen. Solche Filamente werden als Metall oder Wood Filamente bezeichnet.

Beim Einsatz solcher Spezialfilamente als 3D- Druck- Material kann die Verarbeitung etwas schwieriger werden, als dies mit Standard- Druckmaterial der Fall ist. Es ist zu empfehlen, hier die beste Druckeinstellung mit einem Modelobjekt zu ermitteln und erst danach größere Drucke in Angriff zu nehmen. Hier ist es hilfreich, zunächst mit Mustermaterial zu beginnen. Diese Musterproben können Sie gern von unserem Shop beziehen.

Literatur:

Jochen Hanselmann und Robert Micieli: „Coole Objekte mit 3D- Druck“; Fanzis Verlag GmbH, Haar, 2014

Chritian Rattal: „3D- Druck für Anspruchsvolle“; dpunkt.verlag GmbH, Heidelberg, 2016

Heiner Stiller: „3D- Drucken für Einsteiger“; Fanzis Verlag GmbH, Haar, 2014

Andreas Gebhardt, Julia Kessler und Laura Thun: 3D Drucken – Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing“ Carl Hanser Verlag, München, 2016

Thomas Dolansky, Manuela Gehringer und Harald Neumeier: TPE Fibel – Grundlagen Spritzguss, Dr. Gupta Verlag, 40878 Ratingen, 2007