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Jun 22, 2023

Dies sind die wichtigsten 3D-Druckmaterialien

Verwandte Anbieter Mit der zunehmenden Beliebtheit und Weiterentwicklung von 3D

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Mit der zunehmenden Beliebtheit und Weiterentwicklung des 3D-Drucks wächst auch der Bedarf an Spezialmaterialien. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Kunststoffe, Metalle und andere Materialien, die im 3D-Druck verwendet werden.

Heutzutage werden in der Industrie verschiedenste 3D-Druckmaterialien eingesetzt. Neben Kunststoffen erfreuen sich auch Metalle zunehmender Beliebtheit. Diese Metallwerkstoffe werden im Bereich der additiven Fertigung unter anderem zur Herstellung von Fertigungswerkzeugen (Rapid Tooling) oder für Endkomponenten (Rapid Manufacturing) eingesetzt. Allerdings nutzen die meisten industriellen und privaten Anwender nach wie vor Kunststoffe für den 3D-Druck. Der 3D-Kunststoffdruck wurde lange Zeit hauptsächlich zur Herstellung von Prototypen und Modellen eingesetzt. Mittlerweile werden jedoch zunehmend Endkomponenten und ganze Produkte durch additiv verarbeitete Polymere hergestellt.

Im Schatten der Polymer- und Metallwerkstoffe finden jedoch auch andere 3D-Druckmaterialien immer neue Einsatzgebiete. Dazu gehören Sand, Keramik, Glas und Beton. Sandmaterialien gewinnen im Bereich des industriellen Formenbaus immer mehr an Bedeutung: Viele Gießereien fertigen ihre Formen mittlerweile mit Hilfe von 3D-Sanddruckern. Auch der 3D-Betondruck hat in den letzten Jahren eine rasante technische Entwicklung erfahren. Im Jahr 2020 wurde beispielsweise das erste 3D-gedruckte Wohnhaus in Deutschland aus Beton gebaut.

Folgende Materialien werden verwendet:

PLA (Polylactid)

PLA ist eines der beliebtesten 3D-Druckmaterialien. Es handelt sich um ein synthetisches Polymer, das zur Kategorie der Polyester gehört. Da PLA aus regenerativen Quellen, beispielsweise Maisstärke, gewonnen wird, ist es biokompatibel und recycelbar.

Im Vergleich zu anderen Polymeren wie ABS kann PLA bei einer niedrigen Schmelztemperatur von nur 70 °C verarbeitet werden. Dadurch ist das Material auch für Laienanwender interessant. Darüber hinaus bleibt PLA während des Abkühlvorgangs in der Regel formstabil und es kommt zu kaum einer Verformung. Sowohl professionelle als auch private Anwender profitieren zudem davon, dass druckbares PLA mittlerweile in einer Vielzahl von Farben erhältlich ist. Allerdings kann PLA nicht für hochbeanspruchte Bauteile verwendet werden, da es starken Belastungen und Hitze nicht standhält.

Neben PLA befinden sich weitere biologisch abbaubare Polymere in der Entwicklung oder sind bereits verfügbar.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

ABS ist neben PLA eines der am häufigsten verwendeten Kunststoffmaterialien im 3D-Druck. Dieses synthetische Polymer besteht aus Acrylnitril, 1,3-Butadien und Styrol. Zu den größten Vorteilen von ABS gehören die damit erreichbare Steifigkeit, Zähigkeit und Festigkeit. Daher eignet es sich sowohl für die Herstellung von Endprodukten als auch für den Prototypenbau.

Allerdings ist seine Witterungsbeständigkeit nicht besonders gut, aber immer noch besser als die von PLA. Zudem ist ABS relativ günstig und in vielen Farben erhältlich. Gerade für Hobbyanwender hat das Material jedoch einen entscheidenden Nachteil: ABS wird bei Temperaturen zwischen 220 und 250 °C gedruckt. Daher empfiehlt es sich, einen beheizten Druckraum bzw. ein beheiztes Druckbett zu verwenden. Nur so ist gewährleistet, dass die Bauteile kontrolliert abkühlen können und somit Verformungen vermieden werden.

PEEK (Polyetheretherkton)

PEEK ist ein synthetisches Polymer aus der Gruppe der Polyetherether. Damit ist es möglich, hoch belastbare Bauteile herzustellen, die zudem temperaturbeständig sind. Es ist außerdem biokompatibel und chemikalienbeständig. PEEK ist etwa 70 % leichter als Metalle mit ähnlichen Eigenschaften und bietet dennoch eine vergleichbare thermische und mechanische Stabilität. Diese Eigenschaften machen es zu einem beliebten Material in der Automobil-, Chemie- und Luftfahrtindustrie. Da PEEK eine Verarbeitungstemperatur von 360 bis 380 °C aufweist, ist es für Laienanwender grundsätzlich ungeeignet. Diese hohe Temperatur erfordert auch eine beheizte Baukammer, in der die Teile kontrolliert abkühlen können.

HIPS (hochschlagfestes Polystyrol)

Dieses thermoplastische Polymer wird durch Polymerisation von Polybutadien zu Polysterol hergestellt. HIPS verfügt über eine sehr hohe Härte und Schlagzähigkeit, was es von Materialien wie ABS unterscheidet. Die wohl wichtigste Eigenschaft von HIPS ist seine Löslichkeit in einigen Chemikalien, wobei Limonen in der Industrie häufig verwendet wird. Aufgrund dieser Löslichkeit eignet es sich besonders als Trägermaterial für andere Polymere. Da es nicht mechanisch, sondern chemisch entfernt wird, ist es einfacher, strenge Toleranzen für die Endkomponenten einzuhalten.

PA (Nylon/Polyamid)

Nylon wurde ursprünglich als Ersatz für Seide entwickelt. Es hat eine hohe Zugfestigkeit, ist ungiftig und schmilzt bei etwa 250 °C. Der Einsatz von Nylon im 3D-Druck ist noch relativ neu. Allerdings erfreut es sich immer größerer Beliebtheit, da die daraus hergestellten Druckobjekte robust und widerstandsfähig gegen Beschädigungen sind. Da es in anderen Branchen weit verbreitet ist, ist es kostengünstig und wird durch die meisten gängigen Chemikalien nicht beschädigt.

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Nylon erfordert höhere Temperaturen von etwa 250 °C, was für viele Hobbydrucker zu hoch ist. Außerdem ist es schwieriger, Nylon auf dem Druckbett zu haften als ABS oder PLA. Normalerweise sind sowohl ein beheiztes Druckbett als auch Weißleim erforderlich, um beim Drucken zu haften.

PET (Polyethylenterephthalat)

Viele Menschen kennen PET in Form von Getränkeflaschen. Ein großer Vorteil des Materials besteht darin, dass es unbedenklich für den Kontakt mit Lebensmitteln ist und für Verpackungen verwendet werden kann. Zudem entstehen beim Schmelzvorgang keine Dämpfe, die eine geschlossene Baukammer erfordern würden. Da keine beheizte Baukammer notwendig ist, erfreut sich PET vor allem bei privaten 3D-Druck-Anwendern großer Beliebtheit. Zudem ist PET relativ robust und bleibt gleichzeitig flexibel. Damit ist er ideal für Hobbyanwender geeignet, die Gadgets oder Alltagsgegenstände bedrucken.

3D-Einblicke

Dies sind die Probleme, die die additive Fertigung lösen muss

PETG (PET mit Glykol)

PETG ist mit Glykol modifiziertes PET. Durch diese Modifikation kann eine hohe Transparenz des Materials erreicht werden. Darüber hinaus werden die Druckeigenschaften durch den Zusatz von Glykol verbessert. Dadurch kann eine niedrigere Schmelztemperatur sowie eine geringere Kristallisation erreicht werden. Darüber hinaus lässt sich PETG aufgrund seiner geringeren Viskosität (Zähigkeit) im Vergleich zu PET schneller extrudieren. Da PETG witterungsbeständig ist, wird es häufig für Vasen oder Gartenmöbel und -geräte verwendet.

Folgende Metalle werden verwendet:

Aluminium

Aluminiumlegierungen vereinen gute Festigkeits- und thermische Eigenschaften mit geringem Gewicht und flexiblen Veredelungsmöglichkeiten. Aus diesen Gründen wird dieses Material häufig in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Zu den Anwendungen gehören Gehäuse, Luftkanäle, Motorteile, Produktionswerkzeuge und Formen, sowohl für Prototypen als auch für Endkomponenten. Porsche und Mahle demonstrieren die Leistungsfähigkeit des Werkstoffs: In diesem Porsche 911 GT2 RS kommen erstmals additiv gefertigte Hochleistungs-Aluminiumkolben zum Einsatz. Mit 730 PS ist er eines der stärksten Fahrzeuge, die Porsche je gebaut hat.

Titan

Titan ist eine der bekanntesten Legierungen im Metall-3D-Druck. Es vereint hervorragende mechanische Eigenschaften mit einem sehr geringen spezifischen Gewicht. Dieses Material ist korrosionsbeständig und wird in einer Vielzahl anspruchsvoller technischer Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Zu den Anwendungen gehören funktionale Prototypen, solide Endverbrauchsteile, medizinische Geräte und Ersatzteile.

Edelstahl

Edelstahllegierungen sind kohlenstoffarm und äußerst korrosionsbeständig. Darüber hinaus bieten Edelstahlkomponenten eine hervorragende Festigkeit. 3D-gedruckter Edelstahl weist außerdem eine hohe Duktilität und gute thermische Eigenschaften auf. Edelstahl kann für lebensmittelechte Anwendungen, Maschinenkomponenten und Produktionswerkzeuge verwendet werden. Weitere Anwendungen umfassen Rohrleitungen, langlebige Prototypen, Ersatzteile, medizinische Instrumente und Wearables.

Folgende Materialien werden verwendet:

Keramik

Grundsätzlich eignen sich Keramiken als 3D-Druckmaterial, da sie im flüssigen Zustand in nahezu jede beliebige Geometrie und Form verarbeitet werden können. Mittlerweile können mithilfe der 3D-Drucktechnologie unter Verwendung von Keramik 3D-gedruckte Objekte ohne große Poren oder Risse hergestellt werden. Keramische Bauteile zeichnen sich durch hohe Festigkeit, Haltbarkeit sowie Feuerbeständigkeit aus. Heutzutage werden keramische 3D-Druckmaterialien in der Dental- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Die Hauptanwendung sind Zahnimplantate.

Sand

Die additive Fertigung von Sandkernen und -formen hat in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit vieler Gießereien auf sich gezogen, da das Verfahren die einzigartige Fähigkeit besitzt, Kerne zu formen, die mit herkömmlichen Kernherstellungstechniken nicht möglich wären. Dies geschieht durch einen Prozess, der als „Binder Jetting“ bekannt ist: Ein reaktives Harz, normalerweise ein für die Anwendung formuliertes Bindemittel auf Furfurylalkoholbasis (FA), wird auf ein Substrat aufgetragen. Typischerweise ist das Substrat ein Quarzsand, der mit einem Säurekatalysator vorbehandelt wurde, es kann sich aber auch um eine Reihe anderer Zuschlagstoffe handeln, die beim Metallguss verwendet werden, wie z. B. Zirkon und synthetische Keramik. Auf diese Weise entsteht Schicht für Schicht eine Form.

Die Kern- und Formenherstellung mit Sand hat einige entscheidende Vorteile: Die Teilekomplexität eines Gussstücks kann viel größer sein als beim typischen Sandguss, da die Notwendigkeit von Verformungen und Trennfugen deutlich reduziert wird; es können komplexere Formen erstellt werden; mehrere Kerne können zu einem zusammengefasst werden; und mehrere unterschiedliche Kerngeometrien können im Modulvolumen kombiniert werden.

Additive Fertigung

Nutzen Sie Materialvorteile mit hochpräziser 3D-Drucktechnologie

Beton

Der 3D-Druck mit Beton funktioniert ähnlich wie der Filament-3D-Druck. Anstelle einer Filamentspule wird jedoch Beton extrudiert. Theoretisch kann handelsüblicher Beton oder Mörtel verwendet werden. Bei größeren Bauvorhaben ist es jedoch besser, auf speziell für den 3D-Betondruck entwickelte Materialien zurückzugreifen. Für den Bau der ersten 3D-gedruckten Häuser wurde beispielsweise I.Tech3D von Heidelberg Cement verwendet. Hierbei handelt es sich um einen gebrauchsfertigen Trockenmörtel, der für den 3D-Druck optimiert wurde. Das Material enthält mineralische Bestandteile und Zusatzstoffe, die eine einfache Förderung zum Druckkopf ermöglichen und nach der Extrusion formstabil bleiben sollen.

Glas

Glasobjekte im 3D-Druckverfahren herzustellen ist nicht einfach. Weltweit haben nur wenige Forschungsgruppen versucht, Glas mithilfe additiver Verfahren herzustellen. Einige von ihnen stellten Objekte her, indem sie geschmolzenes Glas druckten. Dies hat den Nachteil, dass sehr hohe Temperaturen und hitzebeständige Geräte erforderlich sind. Andere verwendeten pulverförmige Keramikpartikel, die bei Raumtemperatur gedruckt werden konnten und später zu Glas gesintert wurden. Allerdings ist die Komplexität der daraus hergestellten Objekte bisher eher gering.

Forschern der ETH Zürich ist es 2019 gelungen, ein spezielles Harz zu entwickeln, das auf handelsüblichen SLA-Druckern verarbeitet werden kann. Der SLA-Druck ermöglicht die Herstellung hochkomplexer und feiner Strukturen. Nachdem ein Teil ausgehärtet ist, wird es bei zwei verschiedenen Temperaturen gebacken. Dadurch werden die Objekte schließlich zu Glas verdichtet.

Verbundwerkstoffe mit außergewöhnlicher Vielseitigkeit, geringem Gewicht und maßgeschneiderten Eigenschaften werden häufig in Hochleistungsindustrien eingesetzt. Beispiele für Verbundwerkstoffe sind kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe und glasfaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit, Festigkeit, guten Korrosionsbeständigkeit und ihres günstigen Ermüdungsverhaltens werden kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbundstrukturen in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Gleichzeitig werden glasfaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe häufig für verschiedene Anwendungen im 3D-Druck eingesetzt und weisen aufgrund ihrer Kosteneffizienz und Leistung ein großes Anwendungspotenzial auf. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. Darüber hinaus können Glasfasern nicht brennen und werden durch die Aushärtungstemperaturen in Herstellungsprozessen nicht beeinträchtigt, wodurch sie sich sehr gut für den Einsatz in 3D-Druckanwendungen eignen.

Dieser Artikel wurde zuerst auf Mission Additive veröffentlicht

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