Das richtige Filament für 3D-Drucker finden

Damit der Einstieg in die Welt des 3D-Drucks gelingt, braucht es nicht nur einen guten 3D-Drucker, sondern auch das richtige Filament. Gerade für Einsteiger ist die Wahl nicht leicht. Immerhin hält der Markt zahlreiche verschiedene Filamente aus unterschiedlichsten Materialien in diversen Formen und Farben bereit. Also von welchen Faktoren hängt die Wahl des Filaments ab? Und welches Filament ist für Ihren Anwendungszweck das Beste?

Alles beginnt mit einem guten 3D-Drucker

Gerade Unternehmen und Bildungseinrichtungen sollten nicht an hochwertigen Druckgeräten sparen. Bedingt durch lange Betriebszeiten und die häufige Nutzung, kann es insbesondere bei günstigen Geräten zu Problemen durch Verschleiß kommen. Der Filament-3D-Druck ist prinzipbedingt mechanisch sehr anspruchsvoll und damit nicht verschleißfrei: Zahnriemen leiern aus, Kabel entwickeln Wackelkontakte, Hotends verstopfen, Düsen weiten sich mit der Zeit, Kugellager kriegen Spiel, Rahmen verziehen sich und Zahnstangen fangen an zu quietschen. Dagegen sind sogar 3000€-Drucker längerfristig nicht gefeit.

Ein für den Dauerbetrieb ausgelegter und extensiv getesteter 3D-Drucker kostet allerdings natürlich mehr Geld als der supergünstige chinesische Bastelsatz, der nach dem Mantra "wir liefern, sobald das Ding druckt" konstruiert wurde. Diese haben oftmals zahlreiche Kinderkrankheiten und Konstruktionsfehler, die sich erst im Dauerbetrieb zeigen. Sie können, wenn man nicht eigene Vorkehrungen trifft und auf gewisse Dinge achtet, sogar zur Brandgefahr werden: Unsachgemäße Verkabelung mit zu dünnen Kabeln, ungeeigneten Steckern und schlechten Stromverbindungen, Kurzschlüsse, Wackelkontakte oder herausrutschende Heizelemente stellen Brandgefahren dar, man sollte 3D-Drucker grundsätzlich nur dann ohne Aufsicht drucken lassen, wenn man sich ganz sicher ist, dass kein Brandrisiko durch Verschleiß entstehen kann. Deshalb ist ein guter und nicht zu billiger (bzw. mindestens von erfahrenen Anwendern überprüfter) 3D-Drucker die Basis für den Dauerbetrieb und damit den semi-professionellen und professionellen Einsatz. Man erkauft sich damit auch weniger Wartungsaufwand und damit weniger "Downtime", wenn das Gerät nicht druckt.

Der Drucker-Preis spielt keine Rolle

Über die Eignung für verschiedene Materialien erlaubt der Preis des Druckers übrigens keine Rückschlüsse. Während man z.B. mit einem superbilligen Anet A8 China-Bausatz für 160 Euro sogar anspruchsvolles wie Polycarbonat (mit ABS) drucken kann, bietet ein Airwolf Axiome für 3200 US-Dollar noch nicht einmal ein beheiztes Bett und kann somit effektiv nur PLA und TPU drucken. Für High-Performance-Kunststoffe wie PEEK, PPSU oder ULTEM/PEI mit Schmelzpunkten weit jenseits der 300°C sind hingegen teure Spezialkomponenten (spezielle Hotends, Temperatursensoren, 220v-Heizbetten und regulierte Klimakammern) notwendig. Für solche hochspezialisierten Drucker sollte man allerdings auch zumeist eher einen fünfstelligen Anschaffungspreis einplanen.

Die Eigenschaften des 3D-Druckers bestimmen das passende Filament

Grundvoraussetzung für das richtige Filament ist natürlich, dass es auch in den eingesetzten 3D-Drucker passt. Das betrifft zuallererst den Durchmesser des Filaments, denn auch hier ergeben sich von Drucker zu Drucker bauartbedingte Unterschiede. Es wird zwischen Filamenten mit einer Dicke von 1,75 Millimetern und Filamenten mit einem Durchmesser von 2,85 Millimetern (oftmals als "3 mm" im Handel) unterschieden, was ca. 98% aller verfügbaren 3D-Drucker abdeckt (wobei die allermeisten davon 1.75mm-Filament nutzen).

Der zweite Aspekt betrifft die erreichbaren Temperaturen für Hotend und Heizbett - bzw. ob überhaupt ein Heizbett vorhanden ist. Materialien, die Temperaturen jenseits dessen erfordern, was der Drucker zu erreichen vermag, sind in diesem Drucker nicht druckbar. Mit einem Hotend, das innen eine Teflon-Beschichtung hat, sind Materialien, die mehr als 240°C benötigen ebenfalls nicht sinnvoll verarbeitbar. Selbst wenn das Hotend eine höhere Temperatur erreicht, wird Teflon (PTFE) ab dieser Temperatur langsam weich (und emittiert dabei schädliche Gase!), d.h. es wird zusammen mit dem Filament extrudiert und höhlt das Hotend aus. Für Temperaturen jenseits der 240°C werden allgemein Vollmetall-Hotends ohne Teflon empfohlen.

Welches ist das richtige Filament für meinen Einsatzzweck?

Auf dem Markt gibt es eine stetig wachsende Anzahl an Kunststoffen und anderen Materialien, die mit Hilfe von 3D-Druckern für additive Fertigungsverfahren genutzt werden können. Die Spanne beginnt dabei mit günstigen und sehr leicht zu verarbeitenden Materialien wie Polyactiden (PLA) oder PETG. Am oberen Ende der Preis- und Schwierigkeitsskala finden sich Spezialkunststoffe wie das besonders widerstandsfähige Nylon oder Polycarbonat (PC). Welches nun das richtige Filament für Sie ist, hängt vom Anwendungszweck ab. Die folgende Übersicht gibt Ihnen eine Orientierung bezüglich der Eignung und Verwendung der wichtigsten Druck-Filamente:

Polyactide (PLA)

Bei PLA handelt es sich um ein biologisch abbaubares biokompatibles Filament, das beispielsweise aus Maisstärke oder Zuckerrohr hergestellt wird. Das Material ist günstig, leicht nachzubearbeiten und benötigt nicht zwangsweise ein beheizbares Druckbett. Dieses hilft allerdings dennoch bei der Haftung. Da sich PLA-Filamente aufgrund der minimalen Geruchsentwicklung gut in geschlossenen Räumen drucken und sich leicht nachbearbeiten lassen, eignet sich PLA optimal für Anfänger und den Einsatz in Schulen, Universitäten und Ausbildungsstätten. Da PLA allerdings bereits ab 60°C seine Stabilität verliert und weich wird und tendenziell etwas spröde., d.h. leicht zerbrechlich ist, eignet es sich als Einsteigerfilament am besten für Modelle und Prototypen. GreenTEC ist eine stark verbesserte PLA-Variante des österreichischen Filament-Herstellers Extrudr mit deutlich höherer Temperaturstabilität (bis 115°C), besserer Zug/Schlag/Biegefestigkeit, Lebensmittelzulassung und matter Haptik.

Polyethylenterephthalat (PETG)

PETG (PET+Glycol) ist ein ebenfalls sehr kostengünstiges Allround-Filament, das schnell druckbar, lebensmittelecht, transparent und schwer entflammbar ist und sich im Vergleich zu PLA durch eine höhere Widerstandsfähigkeit und Temperaturstabilität auszeichnet. Anders als bei PLA muss der verwendete 3D-Drucker allerdings für PETG über ein beheizbares Druckbett (Heatbed) verfügen. PETG ist als Kunststoff sehr weit verbreitet (z.B. Plastikflaschen) und kostet nur wenig mehr als PLA.

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

ABS zählt ebenso wie PLA zu den günstigen Filamenten und wird in der Industrie unter anderem für Spielzeuge und andere Objekte verwendet, die hohen Oberflächenbelastungen standhalten müssen. Es ist anders als PLA sehr hitzebeständig, hat zudem eine harte und kratzfeste Oberfläche und bricht nicht so leicht wie PLA. Ein Nachtei von ABS ist, dass es nicht witterungsbeständig ist und unter UV-Licht die Farbe verliert und spröde wird. Damit handelt es sich um das richtige Filament für die Herstellung von täglich beanspruchten Nutzobjekten und Spielzeugen. Da das Material aber dazu neigt, sich unter nicht optimalen Bedingungen zu verziehen und bei Abkühlung zu schrumpfen, ist der Druck damit allerdings anspruchsvoller als beispielsweise bei PLA oder PETG. ABS ist löslich in Aceton.

Polycarbonat (PC)

PC ist das richtige Filament für die Herstellung von mechanischen Bauteilen bzw. generell Bauteilen, die eine extrem hohe Steifigkeit und Temperaturstabilität aufweisen müssen. Das Spezialfilament, das auch in ausgehärtetem Zustand ohne Bruchgefahr gebogen werden kann, wird in der Industrie unter anderem zur Herstellung von CDs und Sicherheitsglas ("Panzerglas") verwendet. Dementsprechend hoch sind neben den Kosten für das Material auch die Anforderungen an die Verarbeitung. Neben einem Heatbed, was bei reinem Polycarbonat (d.h. ohne Zusätze) gerne mal 130 Grad oder mehr erreichen können muss, ist für Polycarbonat ein Vollmetall-Hotend ohne Teflon nötig, das Temperaturen um die 250°C zuverlässig drucken kann. Eine Klimakammer hilft bei Schrumpfungs- und Ablösungsproblemen mit Polycarbonat.

Gängiger sind jedoch mit einem ABS-Anteil angereicherte Varianten von Polycarbonat, mit denen die Drucktemperaturen so gesenkt werden (z.B. auf 240-260°C Hotend und 110-120°C Heatbed bei unserem PC+ABS), dass das Material nicht nur in High-End-3D-Druckern mit Klimakammer und Super-Heizbett druckbar ist. Ein Vollmetall-Hotend ist jedoch bei extensiver Polycarbonat-Nutzung dennoch empfehlenswert, da Teflon bei 240°C schon weich wird. Vorsicht: Polycarbonat ist stark hygroskopisch, d.h. es absorbiert Feuchtigkeit aus der Luft! Deshalb immer versiegelt und trocken mit Antikondensationsbeutel lagern!

Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA)

ASA ist chemisch stark verwandt mit ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und teilt deshalb auch die meisten seiner Eigenschaften. Es wurde primär mit einem Ziel entwickelt: Als wetter- und UV-beständige ABS-Variante für den Außeneinsatz. Der Schmelzpunkt und die Hitzebeständigkeit sind ähnlich wie bei ABS, es ist ebenfalls in Aceton löslich, ähnlich kratzfest und schrumpft auch beim Abkühlen. Im Handel wird ASA manchmal unter eigenem Markennamen verkauft, z.B. als "ApolloX" von Formfutura. Preislich liegt es im Mittelfeld, über ABS, PETG und PLA, aber üblicherweise günstiger als Nylon oder Polycarbonat.

Hochschlagfestes Polystyrol (HIPS)

HIPS wird meistens als Supportmaterial für ABS-Drucke eingesetzt, da es sich beim Druck sehr ähnlich verhält wie dieses, eine ähnliche Dichte, Schrumpfungs- und Temperaturverhalten hat, aber in Limonen lösbar ist. Doch HIPS kann man auch als normales Material drucken. Es bietet eine etwas geringere Druckauflösung als PLA oder ABS und zersetzt sich längerfristig unter UV-Licht, ist allerdings lebensmittelecht (weil antibakteriell) und mechanisch gut belastbar. Preislich ist es sehr günstig, liegt es in etwa auf dem Niveau von PLA und ABS, manchmal leicht darüber.

Hinweis: Für die Nutzung von HIPS als Supportmaterial ist ein 3D-Drucker nötig, der mindestens zwei unterschiedliche Filamente gleichzeitig drucken kann.

Polyamide (Nylon)

Nylon Filamente sind nicht ganz billig und sind aufgrund des hohen Verarbeitungsanspruchs nur für erfahrene Anwender zu empfehlen. Wer jedoch das richtige Filament sucht, um extrem widerstandsfähige, nahezu unzerbrechliche Funktionsmodelle, Scharniere, Zahnräder oder besonders abriebfeste Werkzeuge inklusive Beständigkeit gegenüber Chemikalien herzustellen, der greift zu Nylon-Filament. Ohne hochwertigen Drucker mit beheizter Druckplatte kann dieses Filament jedoch ebenfalls nicht verwendet werden. Viele Nylon-Filamente erfordern zudem auch Temperaturen jenseits von 240 Grad, was ein Vollmetall-Hotend voraussetzt. Nylon hat die Nachteile, dass es beim Abkühlen schrumpft und dass es extrem hygroskopisch ist, d.h. schnell Feuchtigkeit aus der Umgebrungsluft absorbiert. Feuchtes Nylon kann sich in schlechter Druckqualität auswirken. Bitte beachten: Es gibt mehrere chemisch unterschiedliche Nylon-Varianten, die sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen (z.B. bei Temperaturstabilität oder Schlagfestigkeit)

TPE (Thermoplastische Elastomere, auch Flex-Filament)

TPEs sind eine Gruppe chemisch völlig unterschiedlicher Materialien (TPE-U, TPE-E, TPE-A usw), die sich in dem Aspekt ähneln, dass sie heiss verformbar sind (thermoplastisch) und abgekühlt weiterhin biegsam und teilweise sogar flexibel bleiben (Elastomere), ohne ihre Form zu verlieren. Es gibt TPEs in allerlei Härtegraden und mit vielerlei Zusätzen. Manche sind nur leicht biegsam und brechen nur nicht, andere haben gar eine gummiartige Elastizität. Sie müssen grundsätzlich langsamer gedruckt werden als andere Materialien, wobei die Elastizität sich invers proportional zur Druckgeschwindigkeit verhält. TPEs liegen preislich eher im Mittelfeld, die bekanntesten TPEs sind TPU (auch TPE-U, Thermoplastisches Polyurethan) und Ninjaflex.

Checkliste: Das richtige Filament

Welchen Durchmesser muss das Filament haben?
Welchen Anwendungszweck verfolge ich?
Welche Eigenschaften erwarte ich von meinem Filament?
Hat mein 3D-Drucker ein beheiztes Druckbett?
Erreicht mein Drucker die zur Verarbeitung notwendigen Temperaturen?
Wie hoch ist mein Budget?

Fazit

In den meisten Fällen sind günstige aber hochwertige Allround-Filamente wie PLA, ABS oder PETG für die meisten Anwendungszwecke ausreichend. Das gilt insbesondere für den Lehrbetrieb oder die Erstellung einfacher Prototypen. Wenn die Anforderungen spezifischer werden, kommen Spezialfilamente wie Polycarbonat, TPE, ASA oder Nylon ins Spiel. Wer sich trotz einer Vorauswahl noch nicht sicher ist, welches Filament das richtige ist, der bestellt sich am besten ein Filament-Sample (in der Regel 50g).