Welche Materialien sollte man beim 3D-Druck einsetzen?

Dieser Artikel verschafft Ihnen einen schnellen Überblick über die aktuellen Verbrauchsmaterialien für das 3D-Drucken und erklärt für Anfänger leicht verständlich die wichtigsten Unterschiede. Wie schon in unserem vorherigen Artikel “Was ist 3D-Drucken?” erklärt wurde, unterscheidet man im Wesentlichen zwischen zwei Arten von 3D-Druckern: einerseits die großen, industriell eingesetzten Maschinen, andererseits die verbraucherorientierte Geräten bzw. Schreibtisch-3D-Druckern.

Der vorliegende Artikel konzentriert sich auf die gebräuchlichsten Verbrauchsmaterialien beim sogenannten FDM-Verfahren (fused deposition modelingSchmelzschichtung, d.h. dem schichtweisen Objekt-Aufbau anhand flüssigen Kunststoffs). Klassische Tintenstrahldrucker benötigen Tintenpatronen um drucken zu können– ähnlich verhält es sich beim 3D-Drucker, der aber stattdessen mit Kunststoff-Fasern (Filament) arbeitet. Diese Materialien sind in unterschiedlichen Varianten (ABS, PLA, PVA, usw.), Farben, Durchmessern und Längen im Internet erhältlich.

Welches Material? – ABS vs. PLA vs. PVA

Anmerkung: Exotischere Druckkunststoffe wie Polycarbonat (PC), hochverdichtetes Polyäthylen (HDPE) oder Nylon werden in diesem Artikel nicht behandelt.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Die moderne Industrie setzt ABS-Plastik für viele, sehr unterschiedliche Zwecke ein. Zu den zahlreichen hergestellten ABS-Produkten gehören Leitungsrohre (Abflüsse, Abwasserleitungen, Entlüftungen), Automobilkomponenten, elektronische Baugruppen, Kopfschutzvorrichtungen (ABS absorbiert Stöße gut), Küchengeräte, Musikinstrumente, Schutzkoffer und Spielzeug (besonders die allseits bekannten Legosteine).

ABS ist allgemein sehr langlebig und robust, leicht elastisch und recht hitzebeständig. ABS-fähige Drucker verfügen üblicherweise über ein “Hot End”, in dem der Kunststoff geschmolzen wird, bevor er durch die Druckerdüse gedrückt wird; die Temperaturen erreichen hier zwischen 210 und 250 Grad Celsius. Daher sind ABS-fähige 3D-Drucker zwangsläufig mit einer erhitzbaren Druckplatte ausgestattet (d.h. die Oberfläche, auf der die 3D-Objekte schichtweise aufgebaut werden), um Verwerfungen oder Risse in den gedruckten Objekten zu vermeiden.

Kostenmäßig ist ABS die günstigste der drei hier vorgestellten Filamentarten und war bis vor kurzem das bevorzugte Rohmaterial der 3D-Druck-Gemeinden. Es eignet sich für vielfältige Anwendungszwecke, vor allem auch wegen des leicht zu bewerkstelligenden Abschmirgelns (d.h. des Glättens der gedruckten Objekte und der Entfernung scharfer Kanten) sowie aufgrund der unkomplizierten Bemalung. Gedruckte oder abgebrochene Teile lassen sich leicht mit ABS-Leim zusammenfügen, der zudem acetonlöslich ist (z.B. Nagellackentferner). ABS gibt es üblicherweise in Weiß, Schwarz, Rot, Blau, Gelb und Grün sowie in durchsichtiger Ausführung; allgemein hat es eine matte Erscheinungsform.

Filament spools - multiple colors

ABS Filamentrollen in mehreren Farben

Doch ABS hat auch einige Nachteile. Zunächst handelt es sich um ein erdölbasiertes Erzeugnis, das nicht biologisch abbaubar ist, zum Glück aber trotzdem wiederverwendet werden kann. Ein weiteres Problem sind die (leichten) Gase, die bei empfindlicheren Personen Reizungen auslösen könnten – es könnte daher notwendig sein, bei ABS-Gebrauch den Drucker in einem gut belüfteten Bereich oder sogar unter einer speziellen Abzugshaube aufzubauen. Darüber hinaus kann die Qualität von ABS-Plastik unter längerwährender Sonneneinstrahlung leiden.

PLA (Polylactide, Polymilchsäure)

PLA ist ein biologisch abbaubares Thermoplast aus erneuerbaren Ressourcen wie Maisstärke, Zuckerrohr, Tapiokawurzeln und sogar Kartoffelstärke. Dadurch ist PLA beim 3D-Drucken sehr umweltfreundlich im Vergleich zu anderen, erdölbasierten Plastiksorten wie ABS oder PVA. PLA wird beispielsweise in medizinischem Nahtmaterial oder bei Körperimplantaten genutzt, da es sich im Körper in ungefährliche Milchsäure umwandelt). Operativ eingesetzte Schrauben, Nägel, Stäbe oder Netze lösen sich im Körper innerhalb von 6 Monaten bis zwei Jahren von allein auf. PLA kommt jedoch auch in Lebensmittelverpackungen, Taschen, Einwegbesteck, Sitzbezügen, Wegwerfkleidung, Hygieneartikeln und sogar Windeln zum Einsatz. PLA wird deshalb als recht sicher eingestuft. All jenen, die Trinkbecher oder andere Nahrungsbehälter aus PLA ausdrucken möchten, sei jedoch gesagt, dass die Farbpigmente des Fasermaterials weniger harmlos sein können als das PLA selbst. Leider informiert die Packungsbeilage so gut wie nie über die chemische Zusammensetzung dieser Pigmente, es fehlen also Informationen zu eventuell gesundheitsschädlichen Auswirkungen.

PLA ist robust, wird aber nach dem Abkühlen etwas spröde. Die Schmelztemperatur ist niedriger als bei ABS, nämlich etwa 160°C bis 220°C. Eine erhitzbare Druckplatte ist nicht zwingend erforderlich, kann aber (bei Temperaturen um 50-60°C) nützlich sein, um eine bessere Druckqualität zu erhalten. PLA kühlt recht langsam ab – Fachleute empfehlen bisweilen die Installation eines Ventilators, um den Abkühlungsprozess zu beschleunigen. Von erhitztem PLA geht ein leichter Geruch aus, der an Zuckermais, Pfannkuchen oder Ahornsirup erinnert – Gasemissionen wie bei erhitztem ABS gibt es hier nicht. Eine Abzugshaube ist daher nicht notwendig, und mit PLA kann ohne weiteres in gewöhnlichen Räumen gearbeitet werden.

PLA lässt sich abschmirgeln und mit Acrylfarbe bemalen, manchmal wird jedoch eine vorherige Grundierung empfohlen. Das Zusammenkleben ist bei PLA allerdings nicht ganz so einfach wie bei ABS. Cyanoacrylat (d.h. Sekundenkleber) scheint in vielen Fällen zum gewünschten Resultat zu führen, bringt seinerseits aber wieder gewisse Nachteile mit sich (empfohlener Einsatz von Sicherheitsbrille und Handschuhen, schnelles Festkleben an Fingern und anderen Körperteilen, sehr schnelles Trocknen, usw.)

PLA ist in weiten Teilen der 3D-Druckgemeinden zu einem sehr beliebten Material geworden, weil es ungiftiger und umweltverträglicher ist als erdölbasierte Plastiksorten. Sein Hauptnachteil ist die geringe Hitzebeständigkeit, da Standard-PLA bereits bei etwa 50°C aufzuweichen beginnt (Sie können Ihr Objekt also z.B. mit einem Fön neu erhitzen. Dies kann natürlich auch wieder von Vorteil sein, um beispielsweise gedruckte Teile bequem auszubessern, abzuwinkeln oder aneinanderzuheften.

Neulinge im 3D-Druck betrachten PLA als das am einfachsten zu handhabende Material. Es ist in zunehmendem Maß verfügbar und wird ABS wohl bald als das bevorzugte Rohmaterial ablösen. PLA gibt es in den meisten Farben, es ist durchscheinend oder einfarbig. In Bezug auf die Farben verschafft Ihnen dieser Artikel von Flashgamer (Englisch) einen recht guten Überblick über das, was aktuell verfügbar ist. Besonders hervorzuheben sind das durchscheinende (d.h. durchsichtige) Material sowie die phosphoreszierende Variante (d.h. die im Dunkeln leuchtende Variante). Auch extra-weiches PLA ist im Handel erhältlich – diese sehr interessante Variante ermöglicht den Druck biegsamer Objekte, ist aber schwieriger zu handhaben. Auch die Beschaffung dieses extra-weichen PLAs gestaltet sich schwieriger.

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PLA Filamentrollen in mehreren Farben

PVA (Polyvinylalkohol)

PVA ist eine spezielle, wasserlösliche Plastiksorte. Sie wird am häufigsten als Papierklebstoff, als Verdickungsmittel, als Verpackungsfolie, bei der weiblichen Körperpflege und in Inkontinenz-Windeln für Erwachsene eingesetzt, ebenso als Formtrennmittel oder in Spielknete für Kinder. Oft genutzt wird PVA auch beim Süßwasserfischen. Hier werden PVA-Taschen mit Ködern ins Wasser geworfen, die Tasche löst sich jedoch schnell auf und gibt so den Köder frei, um Fische anzulocken.

Beim 3D-Ducken wird PVA manchmal in Druckern mit zwei oder mehr Extruder eingesetzt, um Objekte, die zum Überhang tendieren, mit einer Tragestruktur auszustatten. Einige komplexe Druckvorgänge mit vielen Überhängen (d.h. Bereichen, bei denen die obere Schicht freisteht und keine Stützen hat) können sogar nur mit Hilfe einer solchen Tragestruktur durchgeführt werden, weil die gedruckte Struktur sich ansonsten verwerfen oder zusammenfallen würde. Das fertige Objekt kann solange in Wasser gelegt werden, bis sich das PVA vollständig aufgelöst hat; dadurch verschwindet die Tragestruktur, ohne dass hierfür lästige Handarbeit vonnöten wäre.

PVA wird üblicherweise unter einer Temperatur von 190°C verarbeitet, ist aber nicht einfach zu handhaben, da es sehr stark Wasser anzieht. Bei hoher Luftfeuchtigkeit nimmt die Qualität des Filaments daher schnell ab, und PVA muss stets in einem verschlossenen Behältnis aufbewahrt und vor Gebrauch u.U. getrocknet werden. Weitere Nachteile sind der hohe Preis und die relativ geringe Verfügbarkeit.

PVA - polyvinyl alcool filament

PVa – Polyvinylalkoholfilament

Filamentdurchmesser und Filamentbezugsquellen

Haben Sie sich für das geeignete Material entschieden, dann sollten Sie vor dem Kauf sicherstellen, dass der Filamentdurchmesser kompatibel mit Ihren Drucker ist. Die beiden Standard-Maße für 3D Filament sind 1,75mm und 3mm. Nur bestimmte Druckermodelle können mit beiden Maßen arbeiten, und Sie sollten immer überprüfen, welches Maß Ihr Gerät aufnimmt.

Der Preis des Filaments wird meist nach Gewicht berechnet. Spulen von 1kg oder 2,5kg sind Standard, obwohl einige Materialien pro Meter oder in losen Rollen verkauft werden (vor allem exotischere Farben oder Sorten). In Bezug auf die Qualität wird manchmal die Beschränkung auf „ausgewiesene“ Lieferanten empfohlen, was sich jedoch auch im Kaufpreis niederschlägt. Andere Personen haben mit relativ preiswertem Filament durchaus gute Erfahrungen gemacht. Letztlich empfiehlt sich das Ausprobieren von Filamenten aus unterschiedlichen Quellen, um die am besten passende Sorte ausfindig zu machen. Eine Liste mit Bezugsquellen finden Sie demnächst in diesem Posting.

Vergleichstabelle

ABS PLA PVA
Wissenschaftliche Bezeichnung Acrylnitril-Butadien-Styrol Polylactide oder Polymilchsäure Polyvinyl-Alkohol
Hergestellt aus Erdöl Pflanzenstärke Erdöl
Eigenschaften Langlebig
Fest
Leicht elastisch
Hitze- beständig
Robust
Fest
Wasserlöslich
Exzellente Filmbildung
Hohe Klebekraft
Gute Schutzeigenschaften
Extrusionstemperatur 210-250°C 160-220°C 190-210°C
Kosten 14-60$ / kg 19-75$ / kg 80-120$ / kg
Nachbearbeitung Einfaches Schmirgeln
Einfaches Kleben
Ohne weiteres in Aceton löslich
Schmirgeln möglich
Begrenzte Klebefestigkeit
Wasserlöslich
Positive Punkte Sehr gute plastische Eigenschaften
Glatte Oberfläche
Erhärtet schnell
Dauerhaft und schwer zu zerstören
Ideal für mechanische Teile
Bioplastik – gute Umweltwerte
Angenehmer Geruch beim Erhitzen
Nicht giftig
Keine erhitzbare Druckplatte notwendig
Hohe Druckgeschwindigkeit und Auflösung
Weniger Probleme mit Verwerfungen oder Einschrumpfen
Ideal für Kleinteile
Robuste oder weiche/flexible Varianten
Biologisch abbaubar
Recycelbar
Nicht giftig
Negative Punkte Erdölbasiert
Nicht biologisch abbaubar
Erhitzbare Druckplatte notwendig
Gase
Schädigung durch Sonnenlicht
Langsames Abkühlen
Niedrige Hitzebeständigkeit
Geht schneller kaputt als ABS
Benötigt dickere Aussenwände als ABS
Teuer
Schädigung durch Luftfeuchtigkeit
Spezielle Aufbewahrung notwendig
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