Folgende 3D-Druckmaterialien werden in diesem Artikel beschrieben:
- PLA - Material für Bastler
- ABS - Geringwertiges industrielles Material
- PETG - Geringwertiges industrielles Material
- Nylon - Strapazierfähiges, flexibles Nischenmaterial
- TPE - Flexibles Nischenmaterial
- Polycarbonat - Mittelwertiges industrielles Material
- PEEK/ULTEM - Superplastik, ideal für industrielle Anwendungen
- Verstärkte Kunststoff-Kurzschnittfasern - Superplastik, ideal für industrielle Anwendungen
- Endlosfasern (Carbonfaser, Glasfaser und Kevlar) - Verbundbasismaterial, ideal für industrielle Anwendungen
Das Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication; FFF) ist unglaublich anpassungsfähig, allerdings ist es nicht für jeden Kunststoff geeignet. Aufgrund der engen Vorgaben, Kunststoff präzise aus einer winzigen Düse zu extrudieren, lassen sich herkömmliche Kunststoffe, die ursprünglich für den Spritzguss optimiert wurden, nicht drucken. Die Kunststoffe, die gedruckt werden können, decken jedoch eine große Bandbreite an Zusammensetzungen, Druckbedingungen und Materialeigenschaften ab. Um das richtige Material zu finden, müssen Sie für die Anforderungen Ihrer Anwendungen das Material mit den entsprechenden Eigenschaften finden, das gedruckt werden kann. In diesem Artikel gehen wir auf die Stärken und Schwächen verschiedener Thermoplaste ein.
Mit dem FFF-Verfahren von Markforged können neben Thermoplasten auch andere Materialien, bei denen es sich nicht um Kunststoff handelt, gedruckt werden. Bei der Continuous Filament Fabrication (CFF) legt ein FFF 3D-Drucker mit einer speziellen zweiten Düse Endlos-Carbonfaser, Glasfaser oder Kevlar® in ein Teil. Das Verfahren Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM) baut auf der bestehenden Metallherstellungstechnologie des Metal Injection Molding (MIM) auf, indem es ein FFF-Verfahren zum Drucken von Metallpulver verwendet, das von einem Kunststoffbindemittel umhüllt ist. Die gedruckten Teile werden anschließend in ein Lösemittelbad gelegt, um das Bindematerial zu entfernen, und zu vollmetallischen Teilen gesintert.
Standardthermoplaste
Parallel zur rasanten Ausbreitung des 3D-Drucks hat sich die Vielfalt der Druckfilamente entwickelt. Trotz dieses Booms lassen sich die meisten FFF-3D-druckbaren Thermoplaste in drei Kategorien einteilen: Basis-Thermoplaste, Nischen-Thermoplaste und Superplastik.
Basis-Thermoplaste: Diese Kunststoffe besitzen keine besonderen Eigenschaften, dennoch handelt es sich um die im 3D-Druck am häufigsten verwendeten Thermoplaste. PLA, der gebräuchlichste Kunststoff im 3D-Druck, lässt sich gut drucken und hat gute mechanische Eigenschaften. Jedoch eignet er sich aufgrund seiner fehlenden Hitzebeständigkeit und geringen Haltbarkeit nicht für den Einsatz in industriellen Umgebungen. ABS besitzt eine bessere Hitzebeständigkeit, ist jedoch nicht besonders stabil und reagiert auf die meisten Herstellungschemikalien nicht gut. PETG, eine Untergruppe von Polyethylen, die zum Drucken geeignet ist, ist eine Mischung aus den beiden Vorhergenannten. Es ist etwas stärker als ABS und etwas hitzebeständiger als PLA, aber für die meisten Produktionsumgebungen noch nicht ausreichend robust.
Nischen-Thermoplaste: Nischen-Thermoplaste haben eine oder zwei ausgezeichnete Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen sehr nützlich machen. Nylon ist ein perfektes Beispiel. Es ist weder steif noch besonders stark, und praktisch nicht hitzebeständig, jedoch extrem haltbar und mit einer ausgezeichneten chemischen Beständigkeit. Deshalb wird es in Anwendungen verwendet, in denen Flexibilität und Haltbarkeit besonders wichtig sind. TPU (oder TPE) ist ein besonders dehnbares Material, das ähnliche Eigenschaften wie Nylon besitzt, aber etwas elastischer ist. Polycarbonat ist in vielerlei Hinsicht ein ausgezeichneter Kunststoff, relativ stabil und hitzebeständig, aber nur mäßig haltbar und chemisch beständig.
Superplastik: Diese Materialien besitzen alle Eigenschaften für industrielle Anwendungen. PEEK und Ultem sind starke, steife Kunststoffe mit einer extrem hohen Hitze- und Chemikalienbeständigkeit. Ingenieure setzten sie bereits häufig in der Fertigung ein, bevor sie in 3D gedruckt werden konnten. Heute werden Drucker verwendet, um individuelle, robuste Vorrichtungen aus diesen Materialien herzustellen.
Gefüllte Thermoplaste
Ein gefüllter Thermoplast ist ein Standardthermoplast, der mit winzigen Partikeln eines zweiten Materials imprägniert ist. Die Konzentration des zweiten Materials kann unterschiedlich sein, aber aufgrund der Zusammensetzung und des Materialverhaltens handelt es sich primär noch immer um ein Thermoplast. Durch die Zugabe von Partikeln eines stärkeren Materials zu Thermoplasten können sich viele Materialeigenschaften verändern (obwohl die chemische Beständigkeit immer noch vollständig vom Kunststoff abhängt).
Es gibt zwei Arten von gefüllten Thermoplasten: mit exotischen Materialien gefüllte Kunststoffe und faserverstärkte Kunststoff-Kurzschnittfasern. Mit exotischen Materialien gefüllte Kunststoffe ähneln eher den Nischen-Kunststoffen, da ihre Sekundärmaterialien (Kaffee, Holz und andere Materialien) eher die Textur und das Aussehen als die mechanischen Eigenschaften verändern. Bei faserverstärkten Kunststoff-Kurzschnittfasern werden industrietaugliche Fasern verwendet, um die Materialeigenschaften der Thermoplaste für den Druck zu verbessern. Am häufigsten findet man mit Carbon-Kurzschnittfasern verstärktes Nylon, ein Kunststoff auf der Basis von Nylon, der mit mikroskopisch kleinen Stücken Carbonfaser imprägniert ist.
Durch Zugabe der richtigen Menge an Kohlenfaser entsteht aus einem Nischen-Kunststoff ein Superplastik. Die Fasern erhöhen die Festigkeit, Steifigkeit und Hitzebeständigkeit erheblich. Durch die Formbeständigkeit, die durch die Carbonfaser erreicht wird, lässt sich der Kunststoff so gut wie jeder andere FFF-Kunststoff drucken. Teile aus diesem Material im 3D-Druck eignen sich hervorragend für eine Vielzahl von Anwendungen und werden oft mit herkömmlichen, nicht gedruckten Teilen verwechselt. Das Onyx-Material von Markforged ist ein solcher carbonfasergefüllter Kunststoff.
Wird Nylon mit Carbonfasern überfüllt, entsteht ein völlig anderes Material. Die zusätzliche Carbonfaser erhöht die Festigkeit und Steifigkeit weiter, allerdings auf Kosten einer geringeren Druckqualität. Wird die Konzentration der Carbonfaserpartikel höher, kann der bindende Thermoplast nicht mehr richtig durch das Drucksystem fließen. Das Ergebnis sind Teile mit sichtbaren Defekten und einer rauen Oberflächentextur. Auch wenn dies interessante Materialien sind, ähneln sie eher Nischen-Kunststoffen als Superplastik.
Endlosfasern (CFF)
Carbon-Kurzschnittfasern besitzen ausgezeichnete Eigenschaften, um Thermoplaste zu verbessern, allerdings verleihen Endlosfasern den Teilen weitaus mehr Festigkeit. Markforged verwendet eine Kombination aus FFF-Druck und Continuous Fiber Fabrication (CFF), um Langstrangfasern in konventionell gedruckte thermoplastische Teile einzubringen. Diese Technologie basiert ebenfalls auf der Extrusion und druckt über eine zweite Düse, aber anstatt das gesamte Filament zu schmelzen, nutzt sie die Hitze der Düse, um die Fasern zu einer thermoplastischen Schicht zu „bügeln“. Die Fasern schmelzen nicht, sondern werden von der thermoplastischen Matrix eingefangen. Das funktioniert so ähnlich in herkömmlichen Faserherstellungsverfahren, bei denen duroplastische Klebstoffe wie Epoxidharz die Fasern einfangen.
Die so hergestellten Teile sind um ein Vielfaches fester, steifer und haltbarer als Kunststoff (gefüllt oder ungefüllt) und die Hitzebeständigkeit, chemische Beständigkeit und Druckqualität ihres thermoplastischen Matrixmaterials bleiben erhalten. Mit Markforged können Sie mit Carbon-Kurzschnittfasern verstärktes Nylon (Onyx) mit Endlosfaserverstärkung drucken.
Metalle (ADAM)
Um Metall zu drucken, druckt Markforged Metal X in einer speziellen Form des FFF-Verfahrens, das als Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM) bezeichnet wird. Ähnlich wie bei gefüllten Thermoplasten extrudiert die Maschine ein Filament, das aus Kunststoffbindemittel besteht, das mit feinem Metallpulver gefüllt ist. Das Verfahren ist fast identisch mit FFF. Das gedruckte Teil wird anschließend gewaschen, um Bindematerial zu entfernen, und gesintert, um ein Metallteil zu erhalten. So entstehen Teile aus Vollmetall mit ähnlichen geometrischen Eigenschaften wie herkömmliche FFF-Kunststoffteile. Auf Metal X erfahren Sie mehr über dieses Verfahren.