Materialien für 3D-Drucker mit FMD-Technologie

Fused Deposition Modelling (FDM) – beziehungsweise Fused Filament Fabrication (FFF), wie diese Technik in der Open-Source-Community genannt wird – ist wahrscheinlich der am häufigsten verwendete Prozess für kostengünstigere 3D-Drucker wie Desktop-Machines und preiswerte professionelle Drucker. Eingesetzt wird die FDM-/FFF-Technologie von RepRapPro, Ultimaker, MakerBot sowie von Druckern der 3D Systems-Reihe Cube und CubePro. Ein besonderer Vorteil von FDM-Druckern ist ihr vergleichsweise geringer Anschaffungspreis, der sie zusammen mit den ausgesprochen preiswerten Materialien zu einer hervorragenden Wahl für Rapid-Prototyping-Anwendungen macht. Klicken Siehierum sich die führenden FDM-3D-Drucker im Sortiment von RS Components anzusehen.

 

Faden-Optionen

Der Faden für FDM-Drucker ist in der Regel auf einer Spule aufgewickelt und besteht hauptsächlich aus thermoplastischen oder thermoplastischen/biologischen Materialmischungen.  Manche Hersteller akzeptieren jedoch lediglich ihre firmeneigenen Rollen bzw. Kartuschen in ihren Maschinen.  Der hauptsächliche Grund für die Einschränkung der Fäden auf die Produkte des Herstellers selbst besteht darin, die hohe Qualität des Fadens sicherzustellen. Fäden mit minderwertiger Qualität können Probleme beim Drucken verursachen, darunter die ungleichmäßige Ausgabe des Fadens aufgrund unregelmäßiger Dicken. Dies kann zu Ergebnissen unterhalb der üblichen Standards führen. Fäden mit Qualitätsproblemen dieser Art sind eine wesentliche Ursache für Störungen des Extruders, da das Material entweder zu dünn ist, sodass das Material nicht zu der heißen Düse des Extruders gelangt, oder aber es ist zu dick und der Motor des Extruders kann den Faden nicht durch die Düse drücken. Die Toleranz bezüglich des Durchmessers ist ein wichtiger Parameter und sollte weniger als 0,05 mm für einen Durchmesser von 1,75 mm betragen.

Fadenspulen sind mit zwei Standardwerten bezüglich der Fadendicke erhältlich – 1,75 mm und 3 mm im Durchmesser. Die Wahl der Dicke des Fadens hängt von der bestimmten Bauart und dem Modell Ihres 3D-Druckers ab. Ebenso zu beachten ist, dass Fäden in einer immer breiter werdenden Palette an verschiedenen Farben und Materialien erhältlich sind.

Auch wenn viele unterschiedliche Arten an Fäden zur Verfügung stehen, sind die geläufigsten Materialien für FDM-Drucker PLA (Polymilchsäure) und ABS (Acrylnitrilbutadienstyrol). PLA ist womöglich geläufiger und zählt zudem zu den beliebtesten Optionen in privaten Anwendungen. Dies ist nicht nur aufgrund der biologischen Abbaubarkeit des Materials der Fall, sondern auch, weil es keine unangenehmen chemischen Gerüche während des Druckvorgangs abgibt.

PLA (Polymilchsäure) ist ein thermoplastisches Polyestermaterial aus umweltfreundlichen Pflanzenstoffen, und ist somit lebensmittelecht und biologisch abbaubar. Es ist ein sehr stabiles Material, schmilzt jedoch bei geringeren Temperaturen als ABS und steht daher nur einem sehr beschränkten Anwendungsbereich zur Verfügung. Da es jedoch keine beheizte Bau-Plattform benötigt, ist PLA oftmals die erste Wahl für viele 3D-Drucker. Im industriellen Bereich wird es vor allen Dingen für die Herstellung von Behältern verwendet.

ABS (Acrylnitrilbutadienstyrol) ist ein thermoplastisches Material auf Erdölbasis. Aufgrund seiner amorphen Natur verfügt das Material über keinen echten Schmelzpunkt. Aus diesem Grund wird es mit zunehmender Temperatur lediglich weicher und weicher. Allgemein kann es zahlreichen Säuren und Alkohol standhalten, ist jedoch in Aceton löslich.

ABS ist in der Regel schwieriger zu verwenden als PLA und erlaubt oftmals keine feinen Details an der Oberfläche, ist jedoch härter und stoßfester und wird daher häufiger für mechanische Teile oder Teile, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Umwelteinflüssen ausgesetzt sein werden, verwendet. Im industriellen Bereich wird es beispielsweise zur Herstellung von Produkten wie Helmen und Sportbooten eingesetzt.

 

Tabelle 1: Unterschiede zwischen ABS und PLA (zur Verfügung gestellt von Verbatim)

Merkmal	ABS	PLA
Material	Erdöl	Pflanzenstoffe (in der Regel Mais, Sojabohnen usw.)
Wichtigste Eigenschaften	Härter und stoßfester, somit oftmals für mechanische Teile oder für Teile, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, verwendet.	Allgemein einfacher für das Drucken zu verwenden.
Verfügbarkeit	Sehr geläufig, bereits seit langer Zeit im Umlauf.	Weniger geläufig, jedoch die beliebteste Option unter allen biologischen Kunststoffen.
Geruch	In manchen Fällen wird bei ABS ein übler Kunststoffgeruch vernommen, doch selbst bei traditionellen 3D-Druckern ist der Geruch weniger übel als der Geruch eines Permanent-Markers.	PLA weist in der Regel einen maisähnlichen/süßlichen Geruch auf.
Härte	Hart, stoßfest und robust, mit respektabler Flexibilität oder Biegeeigenschaft.	Hart, bei Biegung spröder als ABS. Wird mit höherer Wahrscheinlichkeit brechen, wenn es gebogen wird.
Wärmeeigenschaften	210 – 250 °C	175 – 220 °C
Verwendung	Beheizte Bau-Plattform empfohlen.	Keine beheizte Bau-Plattform erforderlich.
Nachbearbeitung	Kann geschnitten, gefeilt oder geklebt werden. Aceton kann verwendet werden, um die Oberfläche glatt und glänzend wirken zu lassen.	Kann geschnitten, gefeilt oder geklebt werden. Nicht geeignet mit Aceton.
Anfälligkeiten	Weniger anfällig für Abbauerscheinungen aufgrund von Feuchtigkeit und Sonnenlicht oder durch Überhitzung bei der Verarbeitung. Im Allgemeinen stabiler und widerstandsfähiger gegenüber Chemikalien.	Anfällig für Abbauerscheinungen aufgrund von Feuchtigkeit und Sonnenlicht sowie durch Überhitzung bei der Verarbeitung. Kann Stabilität verlieren, wenn es zu heiß wird.
Erscheinungsbild	Allgemein glänzend, doch sehr vielfältig.	Optionen für verschiedene Lichtdurchlässigkeitsstufen.
Umweltverträglichkeit und Recycling	Eingestuft unter Recycling-Klasse 7; kann zwar recycelt werden, doch viele Recycling-Programme vor Ort nehmen ABS nicht an. Manche Programme nehmen ABS inzwischen an, da Materialien der Klasse 7 in der Regel in Kunststoffbehältern und ähnlichem recycelt werden.	PLA ist ein biologischer Kunststoff und ist somit abbaubar; außerhalb einer industriellen Kompostieranlage erfolgt dieser Abbauvorgang jedoch nur sehr langsam. Optionen für Recycling und kommerzielles Kompostieren sind zwar vorhanden, erfordern jedoch einen gewissen Mehraufwand von Seiten des Verbrauchers.

 

 

Sonstige Materialien

Neben den weit verbreiteten Optionen ABS und PLA sind auch zahlreiche weitere Materialien erhältlich, die unter anderem brandverzögernd wirken oder elektrisch leitfähig sein können. Während beispielsweise „hartes“ PLA sehr geläufig ist, gewinnt eine weichere PLA-Variante zunehmend an Beliebtheit und ermöglicht das Drucken flexiblerer Objekte, obwohl das Material beim Drucken schwieriger zu handhaben ist.

Ein weiteres Material ist PVA (Polyvinylalkohol) – ein synthetisches Polymer, das sich in Wasser auflöst. FDM-Drucker mit zwei Düsen können gleichzeitig PVA und für gewöhnlich ABS verarbeiten. Im Anschluss an den Druckvorgang können die jeweiligen Objekte in Wasser getaucht werden, sodass das PVA aufgelöst wird und lediglich das ABS verbleibt. Dieser Vorgang erlaubt beispielsweise den Bau komplexer Objekte mit Überhängen sowie beweglichen Teilen. HIPS (hochgradig stoßfestes Polystyrol) ist ein synthetisches Polymer auf Erdölbasis und ist ebenso wie PVA löslich – jedoch in D-Limonen anstatt in Wasser. Dies ermöglicht außerdem den Bau von Strukturen, die ohne Stütze unmöglich realisiert werden könnten.

Etwas exotischere Materialien wie Holz und Stein sind ebenso im Kommen. Dabei wurde ein FDM-Faden durch die Verknüpfung von Holzfasern mit Thermoplastiken erstellt, sodass letztlich holzähnliche Objekte gedruckt werden konnten. Steinähnliche Fäden sind Thermoplastiken mit fein gemahlener Kreide. TPE (Thermoplastisches Elastomer) ist eine Kombination aus Polymeren, die sowohl Eigenschaften von Thermoplastiken als auch von Kunststoff aufweist, und den Bau von Objekten mit weichen und flexiblen Strukturen ermöglicht.

Leitfähige ABS-Fäden können zur Übertragung elektrischen Stroms sowie zur Ableitung statischer Elektrizität und zur EMV-Schirmung verwendet werden. Leitfähiges und anti-statisches ABS bietet neben hervorragender mechanischer Stärke und Stoßfestigkeit auch exzellente Wärmebeständigkeit, selbst für niedrige Temperaturen.

Nylon ist ein synthetisches thermoplastisches Polymer, das inzwischen ebenso für Anwendungen in 3D-Druckern an Bedeutung gewinnt. Es ist hart, zäh und flexibel, doch zur selben Zeit auch schwierig zu verwenden und benötigt oftmals hohe Temperaturen. Zu guter Letzt ist PET (Polyethylenterephthalat bzw. Polyester) ein sehr weit verbreitetes Polymer, das in der Regel in Form eines transparenten Materials erhältlich ist. Farbige Varianten sind jedoch ebenso erhältlich. Dieses leichtgewichtige Material weist eine hohe mechanische Stärke auf und ist zudem temperaturbeständig und stoßfest sowie vollständig recycelbar.

 

Lagerung und Verfügbarkeit

Nach der Beschaffung Ihres Fadens ist die ordnungsgemäße Lagerung besonders wichtig. Im Laufe der Zeit absorbieren Kunststoffe Feuchtigkeit, sodass kleine Wasserblasen in dem Faden entstehen. Diese Blasen erreichen bei der Erhitzung in der Extruder-Düse schnell ihren Siedepunkt, sodass sie platzen und überall Material abgelagert wird – nur nicht dort, wo es eigentlich vorgesehen war. Aus diesem Grund ist die Verwendung feuchteabsorbierender Entfeuchtungsgeräte besonders wichtig.

Hier finden Sie RS Components' Portfolio an PLA- und ABS-Fadenspulen für 3D-Drucker in den verschiedensten Farben, darunter Beige, Schwarz, Blau, Durchsichtig, Grün, Grau, Magenta, Orange und Rot, von Herstellern wie Verbatim und 3D Systems sowie von RS selbst.