3D-Drucker benötigen wie 2D-Drucker ein Material, womit sie drucken können. Bei 2D-Tintenstrahldruckern ist es flüssige Tinte, bei Laserdruckern Tonerpulver.
Ein ähnliches Prinzip gibt es auch bei 3D-Druckern. Das Material, das zum 3D-Drucken verwendet wird, wird bei 3D-Druckern, die nach dem Prinzip vom Fused Deposition Modeling (FDM) / Fused Filament Fabrication (FFF) / Schmelzschichtung arbeiten, in Rollen gewickelt. Dabei handelt es sich meist um Kunststoffe bzw. um Kunststoffgemische. Ihren Namen verdanken Filamente (filament: Faden, Fädchen) der Tatsache, dass sie aus vielen langen, dünnen Fäden bestehen. Diese Fäden werden dann in geschmolzener Form durch die Düsen, die sich am Extruder des 3D-Druckers befinden, ausgesondert.
Inzwischen gibt es eine große Zahl an unterschiedlichen Filamenten, Filamentherstellern und Filamentmodellen, sodass es schwierig sein kann, sich einen Überblick zu verschaffen.
Filamente lassen sich grundsätzlich anhand von drei Faktoren unterschieden: Durchmesser, Material, Farbe. Zusätzlich kann der Hersteller, im Bezug auf die Qualität, hinzugezogen werden.
Durchmesser
Grundsätzlich gibt es bei der Auswahl des Durchmessers zwei beziehungsweise drei unterschiedliche Optionen. Und da beginnt für viele auch schon die erste Verwirrung. Es ist nämlich so, dass die Bezeichnungen nicht ganz einheitlich sind. Es gibt einmal 1,75 mm dicke Filamente, einmal 2,85 mm dicke Filamente und einmal 3 mm dicke Filamente, die aber von 2,85 mm dicken Filamenten quasi ersetzt wurden. Weil sie eben ersetzt wurden und 2,85 mm eben fast 3 mm sind, bezeichnen die meisten die 2,85 mm breiten Filamente als 3 mm Filamente. Bei neuen 3D-Druckermodellen werden hauptsächlich die 2,85 mm breiten Filamente eingesetzt. Es gibt aber eben immer noch ältere Modelle, die aber 3 mm dicke Filamente benötigen. Deswegen muss der Käufer genau darauf achten, ob die als 3 mm angeführten Filamente tatsächlich 3 oder 2,85 mm dick sind.
2 PLA Filamentrollen der Marke Kaisertech in Gold: links mit 2,85 mm und rechts mit 1,75 mm Filamentdurchmesser.
Wichtig ist auf den richtigen Durchmesser bei der Auswahl des Filamentes zu achten. Ist das Filament zu dick, so passt es nicht durch die Düse und kann bei forciertem Reinstecken den Drucker beschädigen. Sind die Filamente hingegen zu dünn, kann es sein, dass beim Extruder weder der Kammerdruck, noch die Abdichtung gelingt und somit geschmolzenes Material nachtropft. Das sorgt für einen unsauberen Druckvorgang und das gewünschte Ergebnis wird nicht erzielt. Einige wenige Druckermodelle akzeptieren auch unterschiedliche Filamentdicken. Welche Anforderungen Ihr 3D-Drucker an die Filamente stellt, entnehmen Sie bitte der Bedienungsanleitung.
Da es unterschiedlich dicke Filamente gibt, werden Filamente meistens in Kilo verkauft. Das kann zunächst irritierend erscheinen, da die Filamente in Rollen verkauft werden. Da liegt es ebenfalls nahe, die Filamente in Metern zu verkaufen, so wie es bei Stoffen oder Garn zum Beispiel der Fall ist. Das würde aber folgendes Problem mit sich bringen: dadurch, dass 1,75 mm dicke Filamente dünner sind, haben 10 Meter ein Volumen von mehr als 24 tausend mm³, hingegen 3 mm dicke Filamente ein Volumen von mehr als 70 tausend mm³. Beim 3D-Drucken befinden wir uns aber im dreidimensionalem Raum und somit ist das Volumen bzw. die Masse an Material relevant, die dem Drucker zur Verfügung stehen. Die Angabe in Gewicht erleichtert das Vergleichen der Preise der Filamente erheblich.
Der Hauptunterschied zwischen 1,75 mm und 2,85 mm (bzw. 3 mm) dicken Filamenten ist zum einen die Druckgeschwindigkeit, zum anderen die Oberflächenqualität des gedruckten Objekts.
Vorteile von 1,75 mm dicken Filamenten
1,75 mm dicke Filamente sind flexibler und können dadurch zu kleineren Rollen eingerollt werden. Dadurch kann nicht nur bei der allgemeinen Lagerung der Filamente, sondern auch in der Filamentkammer der 3D-Drucker viel Platz gespart werden. Das bedeutet in den meisten Fällen entweder kleinere 3D-Drucker, oder weniger Nachfüllarbeit, da mit einer großen Rolle mehr gedruckt werden kann. Ein weiterer Vorteil von 1,75 mm dicken Filamenten, ist, dass diese den Extruder schonen. Denn bei dickeren Filamenten entsteht mehr Staudruck und das belastet die Extruder umso mehr. Mit dünnem Filamenten können 3D-Drucker feinere Druckauflösung und somit für bessere Druckqualität sorgen, da das Material ja Schicht für Schicht von unten nach oben aufgetragen wird. Mit dünneren Schichten gelingt so eine feinere Form. Das kann man sich in etwa so vorstellen, wie die Bildauflösung eines Fotos. Je mehr Pixel ein Foto hat, desto mehr Pixelreihen gibt es und desto feiner ist das Bild aufgelöst. Die Pixelreihen aus diesem Beispiel sind beim 3D-Druck die einzelnen Schichten.
Nachteile von 1,75 mm dicken Filamenten
Die Arbeit mit 1,75 mm dicken Filamenten ist jedoch schwerer. Der Drucker muss dafür viel genauer arbeiten können. Das bedeutet zum einen eine korrekte Bedienung des Druckers und zum anderen ein gekonnter Einsatz von Software, um die Modelle möglichst korrekt und genau zu erstellen.
Früher war es relativ schwer 1,75 mm dicke Filamente zu kaufen. Für ältere Modelle kann es immer noch etwas schwierig sein, wenn es zusätzlich zum Durchmesser noch weitere Anforderungen an die Filamente gibt.
Material
Als sich der 3D-Druck noch in den Kinderschuhen befand, gab es sehr wenig Material zur Auswahl. Heute hingegen hat man die Qual der Wahl. Es gibt sehr viele unterschiedliche Materialien, mit unterschiedlichen Eigenschaften, was deren Preis, Verarbeitung, Nachbearbeitung und Qualität stark beeinflussen. Filamente bestehen meistens aus Plastik bzw. Kunststoffen. Die Hauptanforderung an die Filamentmaterialien sind:
Sie dürfen keine zu hohen Schmelztemperaturen haben, damit die 3D-Drucker sie überhaupt zum Schmelzen bringen können.
Sie müssen bei Zimmertemperatur einen festen Aggregatszustand haben, damit die gedruckten Objekte bei Zimmertemperatur nicht einschmelzen und ihre Form verändern.
Sie sollten möglichst ungiftig sein und bei Hautkontakt zu keinen Verletzungen führen.
Zwei 3D-Druckobjekte, die jeweils aus einem anderen Material gedruckt wurden: die Oberflächenbeschaffenheit und der Glanz unterscheiden sich deutlich.
Die am meisten verbreiteten Filamentmaterialien sind Plastik- bzw. Kunststofffilamente, wie z.B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Poly-Lactic Acid (PLA) / Polymilchsäure. Es sind aber viele weitere Kunststoffgemische hinzugekommen. Inzwischen gibt es Filamente, dem Metall, Holz oder andere Stoffe beigemischt werden, damit sich die Optik des gedruckten Objekts an natürlichen Materialien orientiert.
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein sogenanntes synthetisches Polymer. Das heißt, es handelt sich hierbei um einen künstlich hergestellten Kunststoff, oder einfacher ausgedrückt, um Plastik. Das Material ist heutzutage allgegenwertig vorhanden. Es befindet sich in allerlei technischem Geräten, in Spielzeug, Autos, und vielem mehr. Aufgrund der weiten Verbreitung und der intensiven Nutzung, wurde ABS stark verbessert und ist in großen Massen verfügbar.
Materielle Eigenschaften: ABS ist ein recht stabiles und flexibles Material. Es kann sich im festen Zustand durch Einwirkung von Kräften etwas verformen, ohne gleich kaputt zu gehen. Hören diese Kräfte auf zu wirken, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form ein. ABS ist entflammbar und entwickelt dabei einen dunklen, giftigen Rauch. Die Oberfläche ist recht widerstandsfähig gegen Kratzer. Es ist jedoch anfällig gegenüber UV-Strahlen und Witterung. Die Schmelztemperatur beträgt ca. 220 °C und es erstarrt bei ca. 90 °C.
Vorteile:
Große Verfügbarkeit
Geringer Preis
Relativ einfach zu Verarbeiten (also damit zu drucken)
Einfach Nachzubearbeiten
Robust
Leichtes Gewicht
Nachteile:
Umweltschädlich, weil es biologisch nicht abbaubar ist (Bei Entsorgung entsteht Plastikmüll)
Bei der Verarbeitung entstehen giftige Gase, die von Menschen gemieden werden sollten
Anfällig gegenüber UV-Strahlen. Es kommt bei längerer Bestrahlung durch UV-Licht (z.B. Sonnenlicht) zu Vergilbungen. Außerdem wird das Material porös und instabil.
Schlechte Witterungsbeständigkeit
Acrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA)
Acrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA) ist ein sogennantes synthetisches Polymer. Das heißt, es handelt sich hierbei um einen künstlich hergestellten Kunststoff, oder einfacher ausgedrückt, um Plastik. Das Material ist heutzutage allgegenwertig vorhanden. Vorallem an der äußeren Seite von Gebäuden, wie z.B. Fenster, Dachrinnen, Briefkästen, aber auch in Gegenständen auf Straßen, wie Verkehrsschildern oder -ampeln. Also wird es im Gegensatz zu Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) überwiegend im Aussenbereich eingesetzt.
Materielle Eigenschaften:ABS ist ein recht stabiles und flexibles Material. Es kann sich im festen Zustand durch Einwirkung von Kräften etwas verformen, ohne gleich kaputt zu gehen. Hören diese Kräfte auf zu wirken, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form ein. ASA ist entflammbar und entwickelt dabei einen dunklen, giftigen Rauch. Die Oberfläche ist recht widerstandsfähig gegen Kratzer. Im Gegensatz zu Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist es widerstandsfähig gegen UV-Strahlung und Witterungseinflüssen, was die besonders gute Eignung zum Einsatz im freien erklärt. Durch den Einsatz von Acryl bei der Herstellung ist es zusätzlich widerstandsfähig gegen Fette und Öle. Die Schmelztemperatur beträgt ca. 250 °C und erstarrt bei ca. 95 °C.
Vorteile:
Große Verfügbarkeit
Geringer Preis
Relativ einfach zu verarbeiten (also damit zu drucken)
Einfach Nachzubearbeiten
Robust
Hohe Resistenz gegen UV-Strahlung
Sehr gute Witterungsbeständigkeit
Leichtes Gewicht
Nachteile:
Umweltschädlich, weil es biologisch nicht abbaubar ist (Bei Entsorgung entsteht Plastikmüll)
Bei der Verarbeitung entstehen giftige Gase, die von Menschen gemieden werden sollten
Polycarbonate (PC)
Bei Polrycarbonaten (PC) handelt es sich um thermoplastische Kunststoffe. Das heißt, bei höheren Temperaturen verformen sie sich und bei niedrigeren werden sie wieder fest. Dies eignet sich sehr gut als Material für den 3D-Druck. Aus unserer Gesellschaft ist dieser Stoff kaum noch wegzudenken, denn CDs, DVDs, einige Linsenarten u.v.m. bestehen aus Polycarbonaten. Das Material ist jedoch recht teuer, weshalb es überwiegend genutzt wird, wenn alternative bzw. ähnliche Materialien aufgrund von spezifischen Eigenschaften, die nur PCs erfüllen, nicht in Frage kommen.
Materielle Eigenschaften: PC ist ein extrem stabiles und hartes Material. Es kann sogar als Panzerglas verwendet oder in Schutzwesten eingearbeitet werden. PC ist entflammbar und entwickelt dabei einen giftigen Rauch. Wenn die Feuerquelle aber entfernt wird, erlischt das Material wieder. So stabil es auch ist, die Oberfläche ist sehr anfällig gegenüber Kratzern, was viele durch die Handhabung mit CDs bzw. DVDs kennen. Es ist außerdem empfindlich gegenüber UV-Strahlung. Polycarbonate sind wasser-, öl- und fettbeständig. Sie sind transparent, also lichtdurchlässig und können gefärbt werden. Allerdings sind sie nicht 100% klar. Bei näherer Betrachtung können bunte schlieren erkannt werden. Diese sind jedoch vermeidbar. Die Schmelztemperatur beträgt ca. 285 °C und es erstarrt bei ca. 120 °C.
Vorteile:
Extrem Robust
Sehr hitzebeständig (bis zu 130 °C)
Beständig gegenüber Wasser
Leichtes Gewicht
Transparent (kann gut gefärbt werden)
Nachteile:
Anfällig für Kratzer
Teuer
Anfällig gegenüber UV-Strahlen. Es kommt bei längerer Bestrahlung durch UV-Licht (z.B. Sonnenlicht) zu Vergilbungen. Außerdem wird das Material porös und instabil.
Sehr schwer zu verarbeiten (also damit zu drucken)
Schwer Nachzubearbeiten
High-Impact Polystyrene (HIPS)
Bei High-Impact Polystyrene (HIPS) handelt es sich um ein thermoplastisches Polymer. Das heißt, bei höheren Temperaturen verformen sie sich und bei niedrigeren werden sie wieder fest. Das eignet dies als 3D-Druck-Material. Sie sind in bestimmten Chemikalien, wie z.B. Limonenen löslich. Dadurch sind sie auch als Supportmaterial brauchbar. Supportmaterial wird dazu verwendet, überhängende Teile des gedruckten Objekts zu stützen, damit diese sich nicht nach unten verbiegen.
Materielle Eigenschaften: HIPS ist ein recht stabiles Material. HIPS ist entflammbar und entwickelt dabei dunklen, giftigen Rauch. Die Oberfläche ist recht widerstandsfähig gegen Kratzer. Es ist jedoch anfällig gegenüber UV-Strahlen und Witterung. Die Schmelztemperatur beträgt ca. 230 °C und es erstarrt bei ca. 80 °C.
Vorteile:
Löslich in Chemikalien (eignet sich als Supportmaterial)
Leichte Verarbeitbarkeit
Einfache Nachbearbeitung
Niedriges Gewicht
Nachteile:
Umweltschädlich, weil es biologisch nicht abbaubar ist (es entsteht Plastikmüll)
Bei der Verarbeitung entstehen giftige Gase, die von Menschen gemieden werden sollten
Anfällig gegenüber UV-Strahlen. Es kommt bei längerer Bestrahlung durch UV-Licht (z.B. Sonnenlicht) zu Vergilbungen. Außerdem wird das Material porös und instabil.
Chemikalien zur Auflösung, z.B. Limonene, sind teuer und giftig.
Polylactide (PLA)
Bei Polyactide (PLA) handelt es sich um ein Polymer, das meist aus Pflanzen wie Zuckerrohr, Kartoffeln oder Mais gewonnen wird. Dadurch ist PLA biologisch abbaubar, was den größten Unterschied zu anderen Filamentsorten ausmacht. Da PLA biologisch abbaubar ist, sich einfach verarbeiten lässt, macht es sehr beliebt in der 3D-Szene. Anwendungen findet man daher im Campingbereich, z.B.Camping-Besteck oder der Medizin, wie zum Beispiel Implantate oder Fäden.
Materielle Eigenschaften: PLA ist im Vergleich zu anderen Filamentarten etwas fragiler. Es ist an sich recht hart, neigt allerdings zur Sprödigkeit. Dadurch kann es durch Stöße zerbrechen. Es ist nur schwer entflammbar. Im Gegensatz zu den meisten anderen Filamentsorten entstehen beim Einschmelzen, also beim Druckvorgang, keine giftigen Dämpfe und ist somit gesundheitlich unbedenklich. Außerdem ist es widerstandsfähig gegen UV-Strahlung, transparent und kann eingefärbt werden. PLA ist nicht sehr witterungsbeständig und sehr anfällig gegenüber hohen Temperaturen. Die Schmelztemperatur liegt bei ca. 200 °C und es erstarrt bei ca. 60 °C.
Vorteile:
Schwer entflammbar
Biologisch abbaubar und daher umweltfreundlich
Hohe Resistenz gegenüber UV-Strahlung
Extrem leicht zu verarbeiten (also damit zu drucken). Bestens für Anfänger geeignet
Transparent (kann gut gefärbt werden)
Nachteile:
Schwer Nachzubearbeiten, weil es spröde ist
Sehr empfindlich bei höheren Temperaturen
Polyvinylalkohol (PVA)
Bei Polyvinylalkohol (PVA) handelt es sich um thermoplastische Kunststoffe. Das heißt, bei höheren Temperaturen verformen sie sich und bei niedrigeren werden sie wieder fest. Haupteinsatzgebiet ist als Supportmaterial, damit überhängende Teile des zu druckenden Objekts sich nicht nach unten krümmen. Das heißt, PVA wird eigentlich als Hilfsmittel für 3D-Druck verwendet und ist kein Material, aus dem Objekte gedruckt werden. Dafür ist aber ein Extruder mit mindestens zwei Düsen sehr wichtig.
Materielle Eigenschaften: PVA ist ein flexibles und elastisches Material. Die wichtigste Eigenschaft jedoch ist, dass es wasserlöslich ist, weswegen es als Supportmaterial gut geeignet ist. Nach dem Druckvorgang kann das Ergebnis ins Wasser gelegt werden. Nach einiger Zeit löst es sich auf und das fertige Objekt kann herausgenommen werden. PVA ist gelblich, was aber in der Regel keine Rolle spielen sollte, da es ohnehin meistens nur als Supporsmaterial verwendet wird. PVA ist gegen viele Öle und Fette widerstandsfähig. Es saugt Wasser auf und absorbiert sogar die Luftfeuchtigkeit. Dadurch sollte PVA luftlicht gelagert werden. Die Schmelztemperatur beträgt ca. 170 °C und es erstarrt bei ca. 50 °C.
Vorteile:
Wasserlöslich (eignet sich also Supportmaterial)
Ungiftig
Recht leicht zu verarbeiten, sofern es luftdicht verpackt wurde
Einfache Nachbearbeitung
Leichtes Gewicht
Nachteile:
Eignet sich nicht als Druckmaterial (außer als Supportmaterial)
Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG)
Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG) ist ein mit Glykol verarbeitetes PET. PET ist weit bekannt durch die PET Flaschen. Es handelt sich um thermoplastische Kunststoffe. Das heißt, bei höheren Temperaturen verformen sie sich und bei niedrigeren werden sie wieder fest. Der Grund weshalb beim 3D-Druck PET mit Glykol verarbeitet wird, ist der, dass Glykol die Viskosität von PET im flüssigen, also geschmolzenen Zustand, erhöht. Dadurch wird das geschmolzene PET bzw. PETG flüssiger. Das kommt dem 3D-Drucker zugute, da er nun besser drucken kann und es eine bessere Druckqualität ergibt.
Materielle Eigenschaften: PETG ist ein zähes Material und somit widerstandsfähig gegen Brüche oder Rissbildung. Es kann sich im festen Zustand durch Einwirkung von Kräften etwas verformen, ohne zu zerreißen. Hören diese Kräfte auf zu wirken, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form ein. Es ist schwer entflammbar. PETG ist vollkommen transparent und hat eine hohe Resistenz gegenüber UV-Strahlen und Witterung. Die Schmelztemperatur beträgt ca. 210 °C und es erstarrt bei ca. 70 °C.
Vorteile:
Schwer entflammbar
Sehr leicht zu verarbeiten (damit zu drucken)
Leichte Nachbearbeitung
Hohe Resistenz gegenüber UV-Strahlung
Ist transparent
Schnelle Druckgeschwindigkeit durch hohe Viskosität
Hohe Witterungsbeständigkeit
Nachteile:
Hoher Preis
Leicht anfällig gegen Kratzer
Farbe
Objekte, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, haben die Farbe der Filamente. Das heißt, gängige 3D-Drucker können im Gegensatz zu normalen Druckern nicht Filamente mischen und beliebige Farben gezielt produzieren.
In der Abbildung sind einige Farbbeispiele für Filamente der Marke Kaisertech zu sehen.
Auf dem Markt sind die unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Farben erhältlich. Dabei sind es Farben, die sich allgemeiner beliebt erfreuen und für einfache Zwecke ausreichend. Die niedrigen Preise werden durch die große Verbreitung dieser Materialien erzielt.
Wenn für besondere Zwecke bestimmte Farben notwendig sind, die auf dem Markt nicht angeboten werden, kann man Filamente in Wunschfarben herstellen lassen. Solche Filamente sind jedoch deutlich teurer, da es sich dabei um eine Maßfertigung handelt.
