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3D Basics // Polymerdruck Was ist 3D Druck mit Kunststoff?

| Autor/ Redakteur: Joscha Riemann / Stefan Guggenberger

3D Druck Kunststoff ist sowohl in der Makerszene als auch in der Additiven Fertigung die verbreitetste Anwendung. Alles wichtige zum 3D Druck Kunststoff lesen Sie hier.

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Prototypen, wie dieses autonome Fahrzeug von BigRep, werden in der Industrie häufig mittels 3D Druck Kunststoff hergestellt.
Prototypen, wie dieses autonome Fahrzeug von BigRep, werden in der Industrie häufig mittels 3D Druck Kunststoff hergestellt.
(Bild: VCG)

Additive Verfahren gibt es heute mit zahlreichen Materialien. Der Begriff 3D Druck Kunststoff beschränkt die Betrachtungsweise dieser Technologie ausschließlich auf die Polymer- und Harz-basierten 3D-Druckverfahren. Aufgrund der niedrigen Kosten für die 3D-Drucker und die Materialien, ist der 3D Druck Kunststoff das Einstiegsverfahren in der additiven Fertigung. Die 3D Druck Kunststoff Maschinen erfreuen sich vor allem in der Makerszene äußerster Beliebtheit. Die Industrie nimmt die Dynamik aus dieser progressiven privaten und semi-professionellen Szene an und überrascht regelmäßig mit neuen Geräten und Werkstoffen. Entsprechend wächst der Markt für 3D Druck Kunststoff.

Sehr kurze Entwicklungszyklen, fallende Preise für Material und Geräte bei gleichzeitig höherer Leistung in Druckgeschwindigkeit, Oberflächenqualität und Belastbarkeit sind die vielen Vorteile dieser neuen Technologie. Diese Entwicklung zeichnet besonders den 3D Druck Kunststoff der Gegenwart aus. So sind heute schon Geräte für den 3D Druck Kunststoff ab 100 Euro verfügbar. Bereits für 200 Euro sind schon Geräte mit einem beachtlichen Bauraum von 300 x 300 x 400 Millimeter verfügbar.

3D Druck Kunststoff hat folgende technischen Kennwerte, die maßgeblich über die Wahl des geeigneten Geräts entscheiden:

  • Druckqualität
  • Druckgeschwindigkeit
  • Druckgröße

Die Qualität des Ausdrucks beim 3D Druck Kunststoff ist seinerseits wieder von den limitierenden Faktoren Auflösung, Rauheit und technischen Eigenschaften des Endprodukts bestimmt. Die Auflösung legt fest, wie präzise die Druckspitze einen definierten Punkt anfahren kann. Das entscheidet beim 3D Druck Kunststoff darüber, wie detailreich das Endprodukt am Ende gestaltet werden kann.

Mittlerweile können auch medizinische Implantate, in der benötigten Qualität, per 3D Druck Kunststoff hergestellt werden.
Mittlerweile können auch medizinische Implantate, in der benötigten Qualität, per 3D Druck Kunststoff hergestellt werden.
(Bild: Kumovis)

Die Oberfläche ist gegenwärtig noch die größte Herausforderung beim 3D Druck Kunststoff. Durch das schichtweise Aufbauen, vor allem bei den preiswerten Filamentdruckern, entsteht eine durch Längsrillen strukturierte Oberfläche. Diese Oberfläche lässt sich zwar durch Schleifen, Wärme oder chemische Verfahren wieder glätten. Doch diese bedeutet stets einen Mehraufwand, welcher in die Produktionszeit eingerechnet werden muss. Kritisch sind beim 3D Druck Kunststoff jedoch die technischen Eigenschaften des Endprodukts zu betrachten. Auch wenn das Filament eine definierte Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Härte besitzt, muss das noch lange nicht in gleicher Weise für das Endprodukt gelten - im Gegenteil. Durch den schichtweisen Aufbau der Produkte im Filamentdruck entsteht entlang jeder einzelnen Lage eine durchgehende Sollbruchstelle.

Die Druckgeschwindigkeit ist für Hobbyanwender beim 3D Druck Kunststoff weitestgehend unkritisch. Komplexe Bauteile werden einfach abends angestellt und über Nacht drucken lassen. Bei industrieller Anwendung ist die Druckgeschwindigkeit beim 3D Druck Kunststoff jedoch ein sehr entscheidender Faktor. Hier zeigen sich die preiswerten Filamentdrucker vor allem den Kunstharz-Druckern mit Stereolithographie deutlich unterlegen.

Wie funktioniert 3D Druck Kunststoff?

Alle Kunststoff 3D Druck Verfahren werden zu den "Additiven", also "Aufbauenden" Fertigungsverfahren gezählt. Das unterscheidet sie von den urformenden (Gießen), umformenden (Pressen, Extrudieren) oder trennenden (Schneiden, Fräsen, Drehen, Stanzen) Fertigungsverfahren.

Gegenüber den traditionellen haben die additiven Fertigungsverfahren und damit der 3D Druck Kunststoff, folgende Vorteile:

  • Geringerer Energieverbrauch als beim Gießen
  • Kein Umform-Werkzeug erforderlich
  • Kein bzw. sehr geringer Abfall, vor allem im Vergleich zum Zerspanen
  • Nahezu beliebige Konturen und Geometrien herstellbar

Dem stehen folgende Nachteile von 3D Druck Kunststoff gegenüber:

  • Langsamer Produktionsprozess
  • Eingeschränkte Qualität des Erzeugnisses
  • Eingeschränkte Baugröße

Welche unterschiedlichen Verfahren und Technologien kommen beim 3D Druck Kunststoff zum Einsatz?

Die wichtigsten Verfahren im Bereich 3D Druck Kunststoff:

  • FDM-Druck
  • Stereolithographie-Druck (SLA-Druck)
  • Selektives Lasersintern (SLS)
  • Polyjet Verfahren

FDM bedeutet Fused Deposition Modeling, also "Modellieren durch Verschmelzen von verschiedenen Schichten". Dies ist das im gesamten 3D Druck, also auch dem Metall- oder Keramikdruck, am weitesten verbreitete Verfahren. Diese Drucker gibt es daher schon für knapp 100 Euro für den 3D Druck Kunststoff.

Beim FDM 3D Druck Kunststoff fährt eine Düse entlang einer vorprogrammierten Bahn und stößt dabei permanent einen angeschmolzenen Plastikfaden aus. Dieser Faden verbindet sich mit der darunter liegenden Lage. So entsteht Schicht für Schicht die gewünschte Struktur. Die Qualität des 3D Drucker Kunststoff ist dabei maßgeblich von der Genauigkeit abhängig, wie die Düse den einprogrammierten Punkt anfahren kann. Bei diesem Verfahren liegt selbst bei hochwertigen 3D Druck Kunststoff Maschinen diese Präzision nur im Zehntel-Millimeter-Bereich. Außerdem ist die Dicke des Filamentfadens für die Qualität maßgeblich. Je dicker der Faden ist, desto gröber wird die Oberfläche des Endprodukts.

Bei komplexen Strukturen ist beim FDM 3D Druck Kunststoff immer ein Stützgerüst erforderlich. Dieses wird nach dem fertigen Druck wieder entfernt. Je nach Geometrie des Produkts fällt beim FDM Druck daher stets eine mehr oder weniger große Menge Abfall an.

Beim Stereolithographie-Druck (SLA-Druck) kommt kein Plastikfaden, sondern ein flüssiges Kunstharz zum Einsatz. Diese 3D Druck Kunststoff Geräte bestehen aus einem Tank, einer absenkbaren Platte und einem darüber angeordnetem Laser. Der Laser schießt von oben in den Tank hinein. Dort, wo der Strahl auf das Harz trifft, härtet dieses sofort aus. Mikroskopisch betrachtet, besteht ein 3D Druck Kunststoff Produkt in SLA Bauweise aus tausenden kleinen ineinander gesteckten Kegeln. Mit industriellen SLA-Anlagen können mikroskopisch kleine Bauteile hergestellt werden, die nicht nur klein, sondern auch präzise sind.

SLA-Druck hat gegenüber dem Filamentdruck einige Vorteile:

  • Drucken in maximaler Präzision
  • Produkte mit glatter Oberfläche
  • Minimaler Verbrauch von Material
  • Schnellerer Druckprozess
  • Gefahr von Fehldrucken wesentlich geringer

Nachteilig am SLA-Druck ist, dass diese Geräte für den 3D Druck Kunststoff teurer, wartungsintensiver und anspruchsvoller in der Bedienung sind.

Das Flüssigharz ist zudem als Rohstoff teurer, sein Verbrauch ist jedoch sehr sparsam. Den Nachteil der höheren Anschaffungskosten konnten die SLA Drucker weitestgehend ausgleichen. Heute sind einsatzfähige Geräte schon ab 600 - 700 Euro verfügbar. Ihr größter Nachteil ist jedoch gegenüber den Filamentdruckern ihr eingeschränkter Druckraum.

Der US-amerikanische Sportartikelhersteller Under Armour produziert beispielsweise maßgeschneiderte Sneaker mit dem SLS-Verfahren.
Der US-amerikanische Sportartikelhersteller Under Armour produziert beispielsweise maßgeschneiderte Sneaker mit dem SLS-Verfahren.
(Bild: Under Armour)

Das selektive Lasersintern (SLS) stammt aus dem 3D Metalldruck. Es funktioniert ähnlich wie der SLA-Druck. Der Unterschied ist, dass der Laser nicht in eine Flüssigkeit, sondern in ein Pulverbett hinein schießt. Die Materialkörner werden aufgeschmolzen und so Schicht für Schicht zu einem beliebig geformten Produkt verbunden. Ein ähnliches Verfahren ist auch für den 3D Druck Kunststoff verfügbar. Dabei wird statt Metall- ein Kunststoffpulver verwendet. Die Sintergeräte sind wesentlich teurer und schwieriger zu handhaben als die Filamentdrucker. Dafür liefern sie bessere und homogenere Druckergebnisse mit einer weniger strukturierten Oberfläche.

Das Polyjetverfahren arbeitet mit stark verflüssigten Kunststoffen. Diese werden, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker, auf eine Oberfläche gespritzt. Ein im Druckkopf integrierter UV-Strahler lässt den Kunststoff sofort aushärten. Das Polyjet-Verfahren ist noch nicht sehr verbreitet. Es scheint aber die Vorteile vom SLA- und Filamentdruck zu verbinden und die Nachteile zu beseitigen. Die Produkte bekommen eine annähernd homogene Struktur und eine glatte Oberfläche.

Praxisbeispiele für den 3D Druck Kunststoff

In der Maker-Szene wird der 3D Druck Kunststoff vorwiegend zur Herstellung von Gebrauchs- und Schmuckgegenständen aller Art eingesetzt. Durch die heute verfügbaren Programme und Geräte sind schon in diesem für Schüler, Studenten und Hobbybastler angesiedeltem Segment ganz erstaunliche Ergebnisse möglich. So fertigen sich viele Besitzer von 3D Drucker Ersatzeile an Gebrauchsgegenständen einfach selbst an: Zerbrochene Gehäuse oder andere defekte Module von Elektrogeräten oder Spielzeuge lassen sich auf diesem Weg einfach ersetzen.

Ebenfalls in der Maker-Szene aber ebenso in der Industrie, wird das 3D Druck Kunststoff Verfahren zur Herstellung von Gießkernen benutzt. In Verbindung mit einem Schmelzofen (im Hobbybereich vorwiegend für Aluminium) und simplen Cold-Box-Sandguss, lassen sich so mit Hilfe des 3D Druck Kunststoff auch Produkte aus Metall fertigen.

In der Industrie hat der 3D Druck Kunststoff für lange Zeit seinen festen Platz in der Entwicklung gehabt. Prototyping, Modellbau, Herstellung von Anschauungsmaterialien und Ähnliches waren viele Jahre lang die einzigen Anwendungen für additive Fertigungsverfahren. Das hat sich jedoch in jüngster Zeit geändert.

Was im Bereich 3D Druck Kunststoff in der Industrie möglich ist, lesen Sie hier:

Verdruckbare Materialien durch 3D Druck Kunststoff

Kunststoff ist nicht gleich Kunststoff. Dieser Werkstoffgruppe ist nur gemeinsam, dass sie sich um Polymere, also langkettige Moleküle handelt. Je nachdem, welcher Anwendungsfall vorliegt, kommt ein anderes Material für den 3D Druck Kunststoff in Frage. Für den 3D Druck Kunststoff haben sich folgende Werkstoffe etabliert:

  • ABS: "Acrylnitril-Butadien-Styrol" - günstig im Preis, stabil und harte Oberfläche
  • ASA: "Acrylester-Styrol-Acrylnitril" - günstig im Preis, harte und UV-beständige Oberfläche. Für technische Anwendungen geeignet.
  • Green-Tec: Filament aus nachwachsenden Rohstoffen, hitzebeständig
  • HIPS: "High Impact Polystyrene" - schlagfestes Polymer mit sehr interessanten Eigenschaften zum Recycling
  • Nylon: "Polyamid (PA)" - hochpreisiges aber sehr robustes Polymer für Produkte mit hoher technischer Belastung und Lebensdauer
  • PC: "Polycarbonat" - hochpreisiges und sehr anspruchsvolles Polymer für sehr bruchfeste Produkte.
  • PETG: Mit Glykol verstärktes "Polyethylenterephthalat" - Einfach zu verarbeitendes Polymer für Produkte mit hoher Widerstandskraft
  • PMMA: "Polymethylmethacrylat" - transparentes Polymer
  • PLA: "Polyactide" - biokompatibles, aus regenerativen Grundstoffen (Maisstärke) hergestelltes Universal-Polymer
  • PP: "Polypropylen" - preiswertes Universal-Polymer
  • PVA: wasserlösliches Polymer, ideal für Supporte und Stützkonstruktionen
  • TPU/TPE: "thermoplastisches Elastomere" - zur Herstellung flexibler, gummiartiger Produkte mit 3D Druck Kunststoff

Die meisten Filamente sind in vielen unterschiedlichen Farben verfügbar. Das erlaubt beim 3D Druck Kunststoff eine große Kreativität

Darüber hinaus gibt es auch noch eine Vielzahl von SLA-Harzen. Sie sind mit ca. 60 - 120 Euro pro Liter zwar recht teuer, dafür sind sie sehr sparsam im Verbrauch. Bei vielen Polymeren handelt es sich um Standardwerkstoffe, in der Industrie kommen jedoch auch individuelle Kunststoffe zum Einsatz.

Vorteile durch den 3D Druck Kunststoff

Die Vorteile des 3D Druck Kunststoff, insbesondere dem Filamentdruck sind daher:

  • Geringe technische Voraussetzungen
  • Herstellbarkeit beliebiger Formen und Konturen
  • Minimale Kosten für Betrieb und Verbrauchsmaterialien
  • Geringer Verschleiß an den Geräten
  • Sehr große Auswahl an Herstellern für 3D Druckern und Materialien
  • Einfache Individualisierbarkeit von Einzelstücken aus einer Serie

Welche Limitationen gibt es aktuell noch beim 3D Druck Kunststoff?

Bei den Einschränkungen vom 3D Druck Kunststoff muss zwischen Filament- und SLA-Druck unterschieden werden.

Der Filamentdruck leidet nach wie vor an einer rauen Oberflächenstruktur, die sich nur durch aufwändige Nacharbeit beseitigen lässt. Außerdem haben die Produkte quer zur Lage der Schichten nur eine sehr eingeschränkte Bruchdehnung. Das ist unabhängig davon, welches Material für den 3D Druck Kunststoff eingesetzt wurde. Die Schichten bilden beim Filament 3D Druck Kunststoff Sollbruchstellen, die sich nur schwer beseitigen lassen.

Beim SLA Druck entfallen zwar die Nachteile der groben Oberflächen und dem schichtweisen Aufbau. Dafür sind die herstellbaren Baugrößen in diesem 3D Druck Kunststoff Verfahren noch sehr eingeschränkt. Hier stehen aber das Polyjet- und vor allem das Laserschmelz-Verfahren bereit, um Bauteile in praktisch beliebiger Größe in einer interessanten Produktqualität herstellen zu können. Die Preise für diese Geräte sind zwar noch sehr hoch. Aber die Progression in diesem Segment wird bald dafür sorgen, dass belastbare, großformatige Bauteile auch von Privatpersonen im 3D-Druck hergestellt werden können.

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