PLA Filament für 3D-Drucker

PLA-Filament: ein beliebtes Filament für den 3D-Drucker

Filamente aus PLA (englisch: Poly Lactat Acid, deutsch: Polylactid) gelten aufgrund ihrer einfachen Verarbeitung als das beliebteste Druckmaterial für 3D-Drucker mit Schmelzschichtung. Das Material ist sogar beliebter als ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und andere Materialien, die sich im 3D-Drucker verarbeiten lassen. PLA ist vor allem sehr gut für Anfänger im Bereich des 3D-Drucks geeignet.

Was ist ein PLA-Filament?

Ein PLA-Filament besteht aus Polylactid (auch als Polymilchsäure bekannt), das aus erneuerbaren Rohstoffen wie Zuckerrohr oder Maisstärke mithilfe von Milchsäurebakterien hergestellt wird und zu den Polyestern zählt. Polylactide werden über Veresterung von Milchsäuremonomeren oder katalytische Ringöffnungspolymerisation von Lactidmolekülen hergestellt.

Polylactide wurden erstmals von Théophile-Jules Pelouze im Jahr 1845 beschrieben, als er versuchte, Milchsäure durch Erhitzen und Wasserentzug zu reinigen. Dabei beobachtete er die Kondensation der Milchsäuremoleküle und die Bildung von Polymeren. Später im Jahr 1932 entwickelte Wallace Hume Carothers vom Unternehmen DuPont ein Verfahren zur Herstellung von Polylactiden aus Lactiden. Es wurde im Jahr 1954 von DuPont patentiert.

PLA gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen. Das bedeutet, das Material wird bei höheren Temperaturen weich und verformbar, ohne chemische Veränderungen zu zeigen. Da PLA biokompatibel ist, findet es auch außerhalb des 3D-Drucks Verwendung, zum Beispiel in medizinischen Implantaten, Einweggeschirr und Lebensmittelverpackungen. Es ist ein sehr leicht zu druckendes Material und wird deshalb gerne von 3D-Druck-Anfängern genutzt.

Nicht alle PLA-Filamente, die es im Handel gibt, bestehen aus reinem PLA. Viele sind PLA-Blends. Um spezielle Eigenschaften zu erhalten, wird die Grundstruktur von PLA mit Additiven angereichert. Wer reine PLA-Filamente kaufen möchte, sollte deshalb immer auf die Beschreibung achten.

Welche Eigenschaften besitzt ein PLA-Filament?

PLA ist lebensmittelecht und besitzt eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme mit hoher Kapillarwirkung, eine hohe UV-Beständigkeit und ist nur schwer entflammbar. Diese Eigenschaften machen das Material populär für viele unterschiedliche Anwendungen. Zudem verfügt ein PLA-Filament über gute mechanische Eigenschaften wie hohe Steifigkeit, hohe Oberflächenhärte und hohe Zugfestigkeit (E-Modul). Allerdings zeigt PLA eine geringe Schlagfestigkeit, eine mäßige Witterungs- und Temperaturbeständigkeit.

Filamente aus PLA sind nur bis ca. 65 °C formbeständig, schmelzen ab 150 °C und lassen sich bei 190 bis 220 °C drucken. Die mechanischen Eigenschaften von reinstem PLA sind denen von PET (Polyethylenterephthalat) sehr ähnlich. Jedoch besitzt PLA im Vergleich zu PET eine höhere Feuchte-, Sauerstoff- und Kohlendioxiddurchlässigkeit. Außerdem absorbiert es UV-Licht ab niedrigeren Wellenlängen als PET.

Ist ein PLA-Filament wirklich Biokunststoff?

Bei einem reinen PLA-Filament handelt es sich im Gegensatz zu einem ABS-Filament um einen Biokunststoff, da das Material aus regenerativen Rohstoffen hergestellt wird. Dennoch ist PLA nicht einfach so in einem üblichen Gartenkomposter biologisch abbaubar. Es zerfällt in kleinere Partikel und bleibt für lange Zeit als Polymer bestehen. Das führt zu bekannten ökologischen Problemen. Das heißt, PLA darf nicht einfach in der Natur oder im Garten entsorgt werden. Es kann aber in industriellen Kompostieranlagen mithilfe von leistungsfähigen Bakterien, unter kontrollierten Bedingungen, in seine Grundbausteine zerlegt werden. Zum Schluss bleibt es als organischer Bestandteil im Kompost übrig.

Trotz seiner Abbaubarkeit in speziellen Kompostieranlagen ist die Nachfrage nach dem Biokunststoff sehr hoch. Nicht nur im Bereich des 3D-Drucks. Laut Experten wächst die Nachfrage jährlich um 20 bis 25 %. Biokunststoff wird zurzeit am häufigsten in der Medizintechnik, in Büroartikeln, im Bereich der Verbundwerkstoffe und im landwirtschaftlichen Bereich, zum Beispiel als Mulchfolie, eingesetzt.

Wie gut lässt sich ein PLA-Filament im 3D-Drucker verarbeiten?

Aufgrund seiner positiven Eigenschaften während der Verarbeitung im 3D-Drucker ist PLA besonders beliebt in der 3D-Druck-Szene. Beim 3-Druck von PLA-Filamenten tritt wenig bis gar kein Warping auf. Das bedeutet, das fertige 3D-Objekt verzieht sich kaum oder gar nicht. Warping beschreibt den Sachverhalt, dass sich ein Bauteil während des 3D-Drucks verziehen kann. Es wölbt sich dann an den Außenkanten nach oben, da der warme Kunststoff sich an den Außenkanten schneller abkühlt als in der Mitte des Druckobjekts. Zudem zieht sich Kunststoff immer ein wenig zusammen, sobald er abkühlt. Dabei treten Spannungen auf und verformen den Druck.

Aufgrund des geringen Warpings ist der 3D-Druck mit PLA-Filamenten besonders für Anfänger geeignet und lässt sich sehr frustfrei handhaben. 3D-Objekte lassen sich selbst mit einfachsten und älteren 3D-Druckern fertigen. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Schmelztemperatur lässt sich das Material im Gegensatz zu ABS ohne beheizte Druckplatte oder beheizten Bauraum drucken. PLA verhält sich beim 3D-Druck extrem gutmütig und macht Druckbedingungen und Formen möglich, zu denen andere Kunststoffe nicht imstande sind. Mit einem PLA-Filament ist zum Beispiel eine hervorragende Haftung zwischen den einzelnen Layern (Schichten) möglich. Dadurch können auch sehr robuste Teile gedruckt werden. Gleichzeitig kann der Druck aktiv gekühlt werden.

Während beim Druck von ABS-Filamenten beheizt werden muss, ist beim Druck von PLA-Filamenten eine Kühlung viel sinnvoller, da das Filament zu langsam abkühlt und es dadurch zu Verschmierungen der einzelnen Schichten kommen kann. Am einfachsten kann die notwendige Kühlung durch eine Belüftung erreicht werden. Der Luftstrom bläst genau an die Stelle auf das Objekt, auf die die nächste PLA-Schicht aufgetragen wird. Allerdings darf die Kühlung nicht nur auf einer Seite erfolgen, da sich das Druckobjekt dann verziehen kann. Deshalb sollte möglichst von allen Seiten gleichzeitig gekühlt werden.

Ob der 3D-Druck aber wirklich gekühlt werden muss, das hängt immer von der Düsenstärke, der Geschwindigkeit, mit der gedruckt wird und mit der Komplexität des Druckobjektes ab. Bei PLA-Blends kann es beim Drucken ohne aktive Kühlung jedoch zu leichten Warpingeffekten kommen.

Obwohl PLA gut haftet, sollte bei einer geringen Auflagefläche des Druckobjekts immer ein sogenanntes Raft mitgedruckt werden. Dadurch wird die Haftung auf der Druckplatte gesichert. Beim Druck mit PLA-Material ist immer die erste Schicht entscheidend, da von ihr die Qualität des restlichen 3D-Objekts abhängt. Deshalb ist es sehr empfehlenswert, die Grundfläche immer mit einer geringeren Geschwindigkeit als den Rest des Objekts zu drucken.

Im Gegensatz zum Drucken von ABS-Filamenten tritt beim Drucken von PLA-Filamenten kein unangenehmer Geruch auf. Das wird von vielen Anwendern sehr geschätzt. PLA entwickelt während des 3D-Drucks eher einen süßlichen Geruch, der von der darin verarbeiteten Maistärke herrührt.

Gibt es eine optimale Drucktemperatur für ein PLA-Filament?

Die Temperatur für den 3D-Druck von PLA-Filamenten hängt von sehr unterschiedlichen Faktoren ab. Für den ersten 3D-Druck-Versuch mit einem PLA-Filament ist eine Temperatur von 195 °C ratsam. Sie kann später je nach Ergebnis des Drucks angepasst werden.

Beispiele für Faktoren, von denen die Drucktemperatur abhängt:

- Eigenschaften des 3D-Druckers
- Druckgeschwindigkeit
- Typ des Extruders
- Geometrie und Größe des Druckobjekts
- PLA-Material (reines PLA oder PLA-Blend?)
- Durchmesser des PLA-Filaments
- Genauigkeit bei der Temperaturmessung
- Durchmesser der Druckerdüse

Wie kann ich 3D-Druck-Objekte aus PLA nachbearbeiten?

Da PLA nur eine sehr mäßige Schlagfestigkeit besitzt, kann ein 3D-Objekt aus diesem Material nur vorsichtig gefräst, gebohrt oder mit einem anderen spanenden Verfahren bearbeitet werden. Bei fragilen 3D-Druck-Objekten ist ebenso besondere Vorsicht geboten, da sie leicht auseinanderbrechen können. Schleifen, Kleben oder Bemalen von fertigen 3D-Druck-Objekten aus PLA ist jedoch ohne Probleme möglich. Mit diesen Methoden lassen sich die fertig gedruckten Objekte nach eigenen Wünschen gestalten. Da PLA acetonbeständig ist, können PLA-Objekte nicht damit behandelt werden. Allerdings lassen sich somit Farben verwenden, die mit Aceton verdünnt werden. So können sie wieder problemlos entfernt werden, wenn Unstimmigkeiten in der Applikation entstanden sind. Je nach Anwendung des Bauteils sind allerdings Acrylfarben oder andere Farben, die mit Wasser verdünnt werden können, von großem Vorteil.

Welche Vorteile besitzt ein PLA-Filament?

- biologisch abbaubar über professionelle Kompostierung mithilfe spezieller Bakterien
- schwere Entflammbarkeit
- UV-beständig
- hohe Zugfestigkeit (E-Modul)
- hohe Steifigkeit
- hohe Oberflächenhärte
- hohe Farbechtheit
- relativ geringe Dichte (optimal für Leichtbaubauteile)
- geringes Warping
- beständig gegen Aceton
- geringe Feuchtigkeitsaufnahme mit hoher Kapillarwirkung

Hat ein PLA-Filament auch Nachteile?

- geringe Temperaturbeständigkeit
- geringe Witterungsbeständigkeit
- mäßige Schlagfestigkeit

Wofür wird PLA verwendet?

Das Material PLA wurde schon lange Zeit abseits der ersten 3D-Drucker vielseitig eingesetzt. Zum Beispiel wird es aufgrund seiner geringen Feuchtigkeitsaufnahme mit hoher Kapillarwirkung schon viele Jahre in der Sportindustrie verwendet. Auch in der Möbelindustrie ist es ein ideales Material aufgrund seiner hohen UV-Beständigkeit und schweren Entflammbarkeit. Im Modellbau ist PLA schon viele Jahre bekannt. Dort wird die geringe Dichte des Kunststoffmaterials gerne gesehen.

Aufgrund der guten Verarbeitungseigenschaften können mit PLA-Filamenten Überhänge und Brücken im 3D-Drucker gedruckt werden, was mit ABS-Filamenten nicht möglich ist. Obwohl PLA-Filamente für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind, können sie nicht für Objekte verwendet werden, die bei ihrem Einsatz hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Das Material bleibt, wie bereits erwähnt, leider nur bis zu einer Temperatur von ca. 65 °C formbeständig.

Beispiele für Anwendungen von PLA im Überblick:

- Spielzeuge
- Haushaltswerkzeuge
- Prototypenbau
- Architekturmodelle
- Einkaufstüten
- Hygieneprodukte
- medizinische Anwendungen
- Bedienungsteile
- Gehäuse
- Transportbehälter
- Ausstellungsobjekte
- Verpackungen für Essen
- Dekorationsobjekte und Figuren
- Bildungsprojekte

In welchen Größen kann ich ein PLA-Filament erwerben?

PLA-Filamente sind auf Rollen aufgewickelt. Im Handel wird als Maß das Gewicht der Filamente angegeben. Jedoch ist das Gewicht für die Verarbeitung nicht so ausschlaggebend wie der Durchmesser des darauf aufgewickelten PLA-Filaments. Die Filamente sind mit unterschiedlichen Durchmessern erhältlich. 1,75 mm und 3 mm sind typische Standarddurchmesser. Während kleinere 3D-Drucker meist mit Filamenten arbeiten, die einen geringen Durchmesser haben, werden beim 3D-Druck mit größeren Druckern meist dickere Filamente eingesetzt. Mit 3 mm lässt sich mehr Material in kürzester Zeit zuführen.

Beim Verarbeiten ist allerdings auch der Durchmesser der Druckerdüse, auch Nozzle genannt, zu beachten. Bei einer zu großen Zuführung und einem zu geringen Durchmesser des Filaments gibt es zu viel Spielraum, sodass die Qualität des 3D-Objektes leiden kann. Düsen gibt es in unterschiedlichen Durchmessern zu kaufen und können dementsprechend auf den Filamentdurchmesser abgestimmt werden.