3D Basics Die wichtigsten 3D-Druck-Materialien in einer Übersicht

Autor / Redakteur: Joscha Riemann / Stefan Guggenberger

Mit der zunehmenden Verbreitung und Weiterentwicklung des 3D-Drucks wird auch der Bedarf an spezialisierten Materialien immer größer. Hier finden Sie die wichtigsten Kunststoffe, Metalle und sonstigen Materialien für den 3D-Druck.

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Aktuell dominieren verschieden Kunststoffe und Metalle den 3D-Druck. In deren Schatten finden aber auch Keramik, Sand oder Beton neue Anwendungsgebiete.
Aktuell dominieren verschieden Kunststoffe und Metalle den 3D-Druck. In deren Schatten finden aber auch Keramik, Sand oder Beton neue Anwendungsgebiete.
(Bild: 3D Systems)

Mittlerweile sind in der Praxis eine Vielzahl an verschiedenen 3D-Druck-Materialien im Einsatz. Neben Kunststoffen werden vor allem in der Industrie Metalle immer beliebter. Diese Metallwerkstoffe werden im Bereich der additiven Fertigung unter anderem zur Herstellung von Fertigungswerkzeugen (Rapid Tooling) oder für Endbauteile (Rapid Manufacturing) eingesetzt. Die meisten industriellen und privaten Anwender setzen jedoch noch Kunststoffe zum 3D-Druck ein. Lange wurde 3D-Kunststoffdruck dabei hauptsächlich zur Herstellung von Prototypen und Modellen genutzt. Mittlerweile werden jedoch immer Endbauteil und ganze Produkte mit additiv verarbeiteten Polymeren erzeugt.

Im Schatten von Polymer- und Metallwerkstoffen finden aber auch andere 3D-Druck-Materialien immer neue Anwendungsgebiete. Dazu zählen Sand, Keramik, Glas und Beton. Sandwerkstoffe gewinnen im Bereich des industriellen Formenbaus immer mehr an Bedeutung: Viele Gießerein stellen ihre Gußformen heute mithilfe von 3D-Sanddruckern her. Auch der 3D-Betondruck hat in den letzten Jahren eine rasante technische Entwicklung erfahren. Im Jahr 2020 wurde beispielsweise das erste 3D-gedruckte Wohnhaus Deutschlands aus Beton gebaut.

Die wichtigsten Kunststoffe im 3D-Druck

Angeführt werden:

  • 1. PLA Polylactide)
  • 2. ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
  • 3. PEEK (Polyetheretherkton)
  • 4. HIPS (High Impact Polystyrene)
  • 5. PA (Nylon/Polyamid
  • 6. PET (Polyethylenterephthalat)
  • 7. PETG (PET mit Glykol)

PLA (Polylactide)

Fans der Fernsehserie Game of Thrones werden in diesem Dualfarbendruck vielleicht die Burg „Winterfell“ erkennen. Gedruckt wurde dieses Modell mit PLA.
Fans der Fernsehserie Game of Thrones werden in diesem Dualfarbendruck vielleicht die Burg „Winterfell“ erkennen. Gedruckt wurde dieses Modell mit PLA.
(Bild: Hage3D)

PLA ist einer der beliebtesten 3D-Druck-Werkstoffe. Es handelt sich um synthetische Polymere, welche zu den Polyestern gehören. Da PLA aus regenerativen Quellen, zum Beispiel Maisstärke, gewonnen wird, ist er biokompatibel und recyclebar.

Im Vergleich zu anderen Polymeren wie ABS kann PLA bei einer geringen Schmelztemperatur von nur 70 Grad verarbeitet werden. Dadurch wird das Material auch für Hobbyanwender relevant. Außerdem bleibt PLA beim Abkühlprozess meist Formstabil und es kommt zu wenigen Verformungen. Sowohl professionelle als auch private Nutzer profitieren zudem davon, dass druckbares PLA inzwischen in einer großen Anzahl an Farben erhältlich ist. Für hochbeanspruchte Bauteile ist PLA allerdings nicht verwendbar, da es starken Belastungen und Hitze nicht standhält.

Neben PLA werden noch weitere biologisch abbaubare Polymere entwickelt oder sind bereits verfügbar. Mehr zu den neuen Bio-Werkstoffen für den 3D-Kunststoffdruck erfahren sie hier:

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Neben PLA ist ABS einer der meistgenutzten Kunststoffwerkstoffe im 3D-Druck. Dieses synthetische Polymer wird aus Acrylnitril, 1.3 Butadien und Styrol hergestellt. Einige der größten Vorteile von ABS sind die damit erreichbare Steifigkeit, Zähigkeit und Festigkeit. Daher ist es neben dem Prototyping auch für die Fertigung von Endprodukten geeignet.

Allerdings ist die Witterungsbeständigkeit nicht sonderlich gut, aber trotzdem besser als bei PLA. Zudem ist ABS relativ günstig und in vielen Farben erhältlich. Vor allem für Hobbyanwender hat das Material jedoch einen entscheidenden Nachteil: ABS wird bei Temperaturen zwischen 220 und 250 Grad gedruckt. Daher ist ein beheizter Druckraum beziehungsweise Druckbett zu empfehlen. Nur so kann sichergestellt werden, dass die Bauteile auch kontrolliert abkühlen können, wodurch Verformungen vermieden werden.

PEEK (Polyetheretherkton)

Das Thermoplast PEEK wird beispielsweise in der Medizintechnik für die Herstellung von Implantaten benutzt.
Das Thermoplast PEEK wird beispielsweise in der Medizintechnik für die Herstellung von Implantaten benutzt.
(Bild: Kumovis)

Bei PEEK handelt es sich um synthetische Polymere aus der Gruppe der Polyetherkethone. Damit ist es möglich hochbelastbare Bauteil herzustellen, die gleichzeitig temperaturresistent sind. Zudem ist es biokompatibel und chemieresistent. PEEK ist etwa 70 Prozent leichter als Metalle mit ähnlichen Eigenschaften, dennoch weist es vergleichbare thermische sowie mechanische Stabilität auf. Diese Eigenschaften machen es zu einem beliebten Werkstoff in den Bereichen Automotive, Chemieindustrie sowie Luft- und Raumfahrt. Da PEEK eine Verarbeitungstemperatur von 360 bis 380 Grad hat, ist es für Hobbydrucker in der Regel ungeeignet. Diese hohe Temperatur macht auch einen beheizten Bauraum nötig, in dem die Teile kontrolliert abkühlen können.

HIPS (High Impact Polystyrene)

Dieses thermoplastische Polymer wird durch die Polymerisation von Polybutadien zu Polysterol hergestellt. HIPS verfügt über eine sehr hohe Härte sowie Schlagzähigkeit, was es von Werkstoffen wie ABS abgrenzt. Die wohl wichtigste Eigenschaft von HIPS, ist die Löslichkeit in einigen Chemikalien, wobei in der Industrie häufig Limonene eingesetzt werden. Aufgrund dieser Löslichkeit eignet es sich besonders als Stütz- beziehungsweise Supportmaterial für andere Polymere. Da es nicht mechanisch, sondern chemisch entfernt wird, können strenge Toleranzen bei Endbauteilen besser eingehalten werden.

PA (Nylon/Polyamid)

Die Wabenstruktur des Helms wird aus dem Hochleistungspolymer Polyamid 11 hergestellt. Das Material ist schlagfest und gleichzeitig leicht.
Die Wabenstruktur des Helms wird aus dem Hochleistungspolymer Polyamid 11 hergestellt. Das Material ist schlagfest und gleichzeitig leicht.
(Bild: Hexr)

Nylon wurde ursprünglich als Ersatz für Seide entwickelt. Es hat eine hohe Zugfestigkeit, ist ungiftig und schmilzt bei etwa 250 Grad. Die Verwendung von Nylon im 3D-Druck ist noch relativ neu. Es wird jedoch immer beliebter, weil die Drucke, die es erzeugt, zäh und beschädigungsresistent sind. Da es in anderen Branchen weit verbreitet ist, ist es kostengünstig und wird von den meisten gängigen Chemikalien nicht beschädigt.

Nylon erfordert höhere Temperaturen von etwa 250 Grad, was mehr ist als viele Hobbydrucker bewältigen können. Es ist auch schwieriger, Nylon am Druckbett haften zu lassen als bei ABS oder PLA. Es benötigt normalerweise sowohl ein beheiztes Druckbett als auch Weißleim, um während des Drucks zu haften.

PET (Polyethylenterephthalat)

Vielen dürfte PET in Form von Getränkeflaschen bekannt sein. Ein großer Vorteil des Materials ist entsprechend, dass es lebensmittelecht ist und für Verpackungen genutzt werden kann. Zudem entstehen beim Schmelzprozess keine Dämpfe, die einen geschlossenen Bauraum nötig machen. Da kein beheizter Bauraum notwendig ist, ist PET besonders bei privaten 3D-Druckanwendern beliebt. Hinzukommt, dass PET relativ robust ist und gleichzeitig flexibel bleibt. Für Hobbyanwender, die Gadgets oder Alltagshelfer drucken, ist es daher bestens geeignet.

PETG (PET mit Glykol)

Bei PETG handelt es sich um mit Glykol modifiziertes PET. Durch diese Modifikation kann eine hohe Transparenz des Werkstoffes erreicht werden. Außerdem werden die Druckeigenschaften durch die Zugabe von Glykol verbessert. So kann eine niedrigere Schmelztemperatur sowie weniger Kristallisation erreicht werden. Außerdem kann PETG aufgrund der geringeren Viskosität (Zähigkeit) im Vergleich zu PET schneller extrudiert werden. Da PETG witterungsbeständig ist, wird es auch oft für Vasen oder Gartenmöbel sowie -Geräte verwendet.

Die wichtigsten Metalle im 3D-Druck

Angeführt werden:

  • 1. Aluminium
  • 2. Titanium
  • 3. Edelstahl

Aluminium

Diese Kolben aus einer speziellen Aluminiumlegierung treiben einen Porsche 911er mit 730 PS an.
Diese Kolben aus einer speziellen Aluminiumlegierung treiben einen Porsche 911er mit 730 PS an.
(Bild: Mahle)

Aluminiumlegierungen vereinen eine gute Festigkeit und thermische Eigenschaften mit geringem Gewicht und flexiblen Nachbearbeitungsmöglichkeiten. Aus diesen Gründen werden sie häufig in der Automobil- sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Zu den Anwendungen gehören Gehäuse, Luftkanäle, Motorteile, Produktionswerkzeuge und Formen, sowohl für Prototypen als auch für Endbauteile. Die Leistungsfähigkeit des Materials stellen Porsche und Mahle unter Beweis: Bei diesem Porsche 911 GT2 RS kommen erstmals additiv gefertigte Hochleistungskolben aus Aluminium zum Einsatz. Mit 730 PS ist es eines der leistungsfähigsten Fahrzeuge, die Porsche je gebaut hat.

Titanium

Titanium ist eine der bekanntesten Legierungen im Metall-3D-Druck. Es kombiniert hervorragende mechanische Eigenschaften mit einem sehr geringen spezifischen Gewicht. Dieses Material ist korrosionsbeständig und wird in einer Vielzahl von anspruchsvollen technischen Umgebungen wie der Luftfahrt eingesetzt. Zu den Anwendungen gehören Funktionsprototypen, solide Endverbrauchsteile, medizinische Geräte und Ersatzteile.

Bei diesem neuartigen Überschalljet werden mindestens 21 additive Titanteile verbaut:

Edelstahl

Edelstahllegierungen sind kohlenstoffarm und äußerst korrosionsbeständig. Dazu bieten Bauteile aus Edelstahl eine ausgezeichnete Festigkeit. 3D-gedruckter Edelstahl hat zudem eine hohe Duktilität und gute thermische Eigenschaften. Edelstahl kann für lebensmittelsichere Anwendungen, Maschinenkomponenten und Produktionswerkzeuge verwendet werden. Weitere Anwendungen sind Rohrleitungen, langlebige Prototypen, Ersatzteile, medizinische Instrumente und Wearables.

Was es bei der Qualifizierung von additiven Metallpulvern für sicherheitsrelevante Komponenten zu beachten ist, lesen sie hier:

Weitere 3D-Druck-Materialien

Angeführt werden:

  • 1. Keramik
  • 2. Sand
  • 3. Beton
  • 4. Glas

Keramik

Grundsätzlich ist Keramik als 3D-Druckmaterial geeignet, weil es im flüssigen Zustand zu praktisch jeder Geometrie und Form verarbeitet werden kann. Mittlerweile kann die 3D-Drucktechnologie unter Verwendung von Keramik 3D-gedruckte Objekte ohne große Poren oder Risse herstellen. Bauteile aus Keramik weisen eine hohe Festigkeit, Langlebigkeit sowie Feuerbeständigkeit auf. Heute werden keramische 3D-Druckwerkstoffe in der Dental- und Raumfahrtindustrie verwendet. Haupteinsatzzweck sind dabei Zahnimplantate.

Sand

Die additive Fertigung von Sandkernen und Formen hat in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit vieler Gießereien auf sich gezogen, da das Verfahren die einzigartige Fähigkeit besitzt, Kerne zu formen, die mit herkömmlichen Kernherstellungsverfahren nicht möglich wären. Dies geschieht durch ein Verfahren, das als "Binder-Jetting" bezeichnet wird: Ein reaktives Harz, meist ein für die Anwendung formulierter Binder auf Furfurylalkoholbasis (FA), wird auf ein Substrat aufgebracht. Typischerweise ist das Substrat ein Quarzsand, der mit einem sauren Katalysator vorbehandelt wurde, aber es kann auch eine Reihe anderer Aggregate sein, die im Metallguss verwendet werden, wie zum Beispiel Zirkon und synthetische Keramiken. So entsteht Schicht für Schicht eine Form.

Der Kern- und Formenbau mit Sand hat einige entscheidende Vorteile: Die Teilekomplexität eines Gussteils kann viel größer sein als beim typischen Sandguss, da der Bedarf an Verzugs- und Trennlinien stark reduziert ist; es können komplexere Formen erstellt werden; mehrere Kerne können zu einem kombiniert werden; und mehrere unterschiedliche Kerngeometrien können im Baukastenvolumen kombiniert werden. Mehr zum Thema:

Beton

3D-Druck mit Beton funktioniert ähnlich wie Filament-3D-Druck. Statt einer Spule Filament wird jedoch Beton extrudiert. Dabei kann theoretisch üblicher Beton oder Mörtel verwendet werden. Für größere Bauprojekte bietet es sich jedoch an, speziell für den 3D-Betondruck entwickelte Werkstoffe zu verwenden. Für den Bau der ersten 3D-gedruckten Häuser wurde beispielsweise I.Tech3D von Heidelberg Cement verwendet. Hierbei handelt es sich um einen werksfertigen Trockenmörtel, der für den 3D-Druck optimiert wurde. Das Material enthält mineralische Komponenten und Additive, die ermöglichen sollen, dass es gut zum Druckkopf gepumpt werden kann und gleichzeitig nach der Extrusion formstabil bleibt. Mehr zum Thema:

Glas

Glasobjekte mit einem 3D-Druckverfahren herzustellen, ist nicht einfach. Erst wenige Forschungsgruppen weltweit haben versucht, Glas mithilfe additiver Verfahren zu produzieren. Einige davon schufen Objekte, indem sie geschmolzenes Glas ausdruckten. Das hat den Nachteil, dass dafür sehr hohe Temperaturen und hitzebeständige Apparaturen nötig sind. Andere verwendeten pulverförmige Keramikpartikel, die sich bei Raumtemperatur drucken und später zu Glas sintern lassen. Allerdings war die Komplexität der daraus gefertigten Objekte bisher eher gering.

Forschern des ETH Zürich ist es dann im Jahr 2019 gelungen ein spezielles Harz zu entwickeln, das auf handelsüblichen SLA-Druckern verarbeitet werden kann. Der SLA-Druck macht es möglich, hochkomplexe und feine Strukturen herzustellen. Nachdem ein Teil ausgehärtet ist, wird es bei zwei unterschiedlichen Temperaturen gebrannt. Dadurch werden die Objekte schließlich zu Glas verdichtet. Mehr zum Thema:

Verbundwerkstoffe für die Hochleistungsindustrie

Verbundwerkstoffe mit der außergewöhnlichen Vielseitigkeit, dem geringen Gewicht und den maßgeschneiderten Eigenschaften werden häufig in der Hochleistungsindustrie eingesetzt. Beispiele für Verbundwerkstoffe sind kohlenstofffaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe und glasfaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe. Kohlefaserverstärkte Polymerverbundstrukturen werden aufgrund ihrer hohen spezifischen Steifigkeit, Festigkeit, guten Korrosionsbeständigkeit und ihres guten Ermüdungsverhaltens in der Luft- und Raumfahrtindustrie genutzt. Gleichzeitig sind glasfaserverstärkte Polymerverbundwerkstoffe für verschiedene Anwendungen im 3D-Druck weit verbreitet und haben aufgrund der Kosteneffizienz und Leistungsfähigkeit ein großes Anwendungspotenzial. Diese Werkstoffe haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Darüber hinaus können Glasfasern nicht brennen und werden nicht von den Aushärtungstemperaturen in den Herstellungsprozessen beeinträchtigt, weshalb sie sich sehr gut für den Einsatz in der 3D-Druckanwendung eignen.

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