Definition Was ist Filament für den 3D-Druck?

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Filament ist ein vielseitiger Begriff, zu finden etwa in der Elektronik, Biologie oder Astronomie. Am bekanntesten ist er derzeit aus dem 3D-Druck. Was hat Filament mit 3D-Druck zu tun? Welche Filament-Arten gibt es dafür und welche besonderen Eigenschaften haben sie?

Wie viele Fachbegriffen hat die Bezeichnung „Filament“ ihren Ursprung im Lateinischen. Präziser formuliert, kommt der Begriff vom spätlateinischen „filamentum“, was so viel wie „Fadenwerk“ bedeutet und im Allgemeinen eine einzelne Faser mit beliebiger Länge beschreibt.

Im 3D-Druck werden als Filament thermoplastische Materialien bezeichnet, die in Faden- bzw. Drahtform auf einer Spule gewickelt sind und für das sogenannten „Fused Deposition Modeling“ (FDM) eingesetzt werden. Beim FDM wird das Filament erhitzt und anschließend über eine Düse extrudiert, um schichtweise ein Objekt bzw. Bauteil herzustellen.

Der Vollständigkeit halber wird hier der Begriff auch im Zusammenhang mit anderen Bereichen erklärt:

• In der Elektronik bezieht sich der Begriff auf Glühfäden in früheren Glühlampen oder auf spezielle fadenförmige LEDs, die das Aussehen von Glühbirnen imitieren.

• In der Textilindustrie bestehen Filamente aus Fasern mit nahezu unbegrenzter Länge, häufig zu Herstellung von bestimmten Stoffen.

• Feine Strukturen von Galaxienhaufen oder die Protuberanzen auf der Sonne, die fadenförmige Gebilde im All erzeugen, werden wiederum in der Astronomie als Filament bezeichnet.

• In der Biologie wiederum sind mit diesem Begriff dünne, fadenförmige Zellstrukturen gemeint.

Welche Filament-Werkstoffe eignen sich für den 3D-Druck?

Für den 3D-Druck werden verschiedenste Filament-Materialien eingesetzt, wobei die entsprechende Wahl von den gewünschten Eigenschaften beim 3D-Druck sowie von den Anwendungsbereichen des Modells oder Bauteils abhängig ist. Zu den gängigsten Filament-Materialien gehören

• Polyactide (PLA): PLA ist wohl einer der beliebtesten Filamente für den 3D-Druck, wobei es sich hier um synthetische Polymere handelt, die zu den Polyestern gehören. PLA wird aus erneuerbaren Ressourcen wie z. B. Maisstärke gewonnen und ist daher biologisch abbaubar. Im Hinblick auf Nachhaltigkeit und möglichen Umweltbelastungen (Stichwort Mikroplastik) beim 3D-Druck also ein besonders interessanter Werkstoff.
  PLA ist vergleichsweise einfach zu verarbeiten und benötigt kein beheiztes Druckbett für eine bessere Haftung. Das Material lässt sich im Vergleich zu anderen Filamenten wie etwa ABS bei einer geringeren Schmelztemperatur von rund 70 °C verarbeiten. PLA ist in sehr vielen verschiedenen Farben erhältlich und bleibt zudem nach dem Auskühlen meist formstabil. Starken Belastungen und großer Hitze halten Bauteile aus PLA aber schon aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur nicht stand.

• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): ABS gehört ebenfalls zu einem sehr häufig verwendeten Werkstoff für den 3D-Druck und ist wie PLA ein synthetisches Polymer, das sich aus den Bestandteilen Acrylnitril, Butadien und Styrol zusammensetzt. Zu den herausragenden Eigenschaften von ABS gehören Robustheit, eine hohe Hitzebeständigkeit und somit letztendlich eine lange Haltbarkeit. Eine hohe Witterungsbeständigkeit hat ABS indes nicht und ist daher für Anwendungen im Außenbereich nicht so gut geeignet. ABS wird bei Temperaturen von 220 °C bzw. 250 °C verarbeitet und benötigt beim 3D-Druck ein beheiztes Druckbett für eine gute Haftung sowie eine gute Belüftung, da während des Druckes giftige Dämpfe erzeugt werden.

• Polyamid (Nylon, PA): Nylon ist wohl vielen schon allein aus der Verarbeitung bei Textilien ein Begriff und wurde ursprünglich als Ersatz für leichte Seide verwendet. Nylon ist darüber hinaus sehr haltbar, hitzebeständig, schlagfest, weitestgehend chemikalienbeständig und hat eine hohe Zugfestigkeit, wie sehr schnell festzustellen ist, wenn man versucht, mit bloßen Händen einen Nylonfaden zu zerreißen. Nylon ist im Gegensatz zu ABS ungiftig und hat eine Schmelztemperatur von zirka 250 °C. Allerdings ist der Druckvorgang zur Verarbeitung des Materials komplex, weil Nylon besonders hygroskopisch ist und somit sehr schnell Feuchtigkeit aus der Luft anzieht. Feuchtes Filament kann beim Extrudieren zu kleinen Explosionen in der Druckdüse führen, wenn das Wasser schlagartig verdampft. Hierdurch kann die Schichthaftung und Oberflächenqualität negativ beeinflusst werden. Nylon benötigt, wie bereits beschrieben, hohe Schmelztemperaturen, sodass ein beheiztes Druckbett mit Temperaturen bis zu 80 °C erforderlich ist.

• Polyethylenterephthalatglycol (PETG): PETG setzt sich im Grunde aus PET (Polyethylenterephthalat) und Glycol zusammen. Vielen ist PET als Werkstoff für Getränkeflaschen bekannt. Folgerichtig ist PET lebensmittelecht und darf auch für viele weitere Verpackungen der Nahrungsmittelindustrie verwendet werden. Beim 3D-Druck entstehen keine Dämpfe, so dass kein abgeschlossener Bauraum notwendig ist. PET ist vergleichsweis robust und gleichzeitig flexibel.
  PETG ist ein mit Glycol modifiziertes PET, das ebenfalls lebensmittelecht ist und zudem durch eine hohe Transparenz überzeugt. Das Glycol bewirkt aber nicht nur die Transparenz, sondern verbessert auch die Druckeigenschaften des Filaments. PETG hat eine geringere Viskosität als PET und ist somit leichter zu extrudieren. PETG ist außerdem witterungsbeständig und wird daher u.a. für Gartenmöbel verwendet.

Definition

Was ist industrieller 3D-Druck?

Welche speziellen Filamente gibt es für den 3D-Druck?

Thermoplastisches Polyurethan (TPU): TPU ist ein thermoplastisches Polymer, das die Eigenschaften von Kunststoff und Gummi kombiniert. Daher ist TPU sehr elastisch und flexibel verformbar, weil es stets in seine Ausgangsform zurückkehrt. Das Material ist extrem strapazierfähig, resistent gegenüber verschiedensten Chemikalien, Ölen und Lösungsmitteln und zudem wasser- sowie witterungsbeständig. Da sich TPU mehrmals einschmelzen und wieder verarbeiten lässt, lässt sich der Werkstoff leicht recyceln.

Polycarbonat (PC): PC ist ein Polymer bestehend aus Estern der Kohlensäure und zweiwertigen Alkoholen. Kohlensäureester werden auch als Carbonate bezeichnet. Es handelt sich hierbei um organische Verbindungen, die sich von der Kohlensäure ableiten.
PC wird durch Polykondensation von Bisphenol A und Phosgen oder Diphenylcarbonat hergestellt. Polykondensation ist eine in Stufen ablaufende Reaktion, bei der Monomere (kleine Moleküle) zu einem Makromolekül (Polymer) verbunden werden. Hierbei werden kleine Moleküle wie Wasser oder Chlorwasserstoff als Nebenprodukte abgespalten.
PC gilt als besonders vielseitig und verfügt über einige interessante Eigenschaften. So ist der Werkstoff zu 90 Prozent lichtdurchlässig und kann beliebig eingefärbt werden. Das Material hat zudem eine sehr hohe Schlagzähigkeit und Bruchfestigkeit. Darüber hinaus ist es temperaturbeständig (bis rund 125 °C), flammhemmend und selbstverlöschend. PC lässt sich u.a. durch Extrudieren sehr gut verarbeiten und eignet sich daher besonders für den 3D-Druck.

Verbundwerkstoffe: Zu den Verbundwerkstoffen unter den Filamenten zählen zum Beispiel Kohlenstofffasern sowie Kevlar- und Glasfasern. Sie dienen vor allem dazu, bestimmte Bauteile oder Modelle zu verstärken, um sie robuster zu machen.

Stützstrukturmaterialien: Der Begriff Stützstrukturmaterialien ist im Grund selbsterklärend, da mit solchen Werkstoffen spezifische Strukturen anderer Kunststoffe beim 3D-Druck gestützt werden können. Zu den Stützstrukturmaterialen gehören z. B.
– High Impact Polystyrene (HIPS): HIPS ist ein thermoplastisches Polymer, das als Polysterol durch die Polymerisation von Polybutadien gewonnen wird. Polymerisation ist ein chemischer Prozess, bei dem kleine Moleküle, sogenannte Monomere, zu großen Molekülen, den Polymeren, verbunden werden. Die Polymerisation ist grundlegend für die Herstellung vor allem von Kunststoffen.
Das Attribut „High Impact“ deutet es schon an: HIPS verfügt über eine sehr hohe Härte und Schlagzähigkeit. Eine zentrale Eigenschaft von HIPS ist, dass es sich in einigen Chemikalien lösen lässt, wodurch es sich besonders als Stützmaterial für andere Polymere eignet. Da HIPS als Stützmaterial nicht mechanisch, sondern chemisch entfernt wird, lassen sich hochfeste Objekte mit sehr engen Endbauteiltoleranzen realisieren.
– Polyvinylalkohol (PVA bzw. PVAL): PVAL wird durch Polymerisation von Vinylacetat und anschließende Hydrolyse (Verseifung) von Polyvinylacetat (PVAC) hergestellt. Der Werkstoff ist beständig gegenüber Ölen, Fetten und organischen Lösungsmitteln. PVAL ermöglicht beim 3D-Druck eine hervorragende Schichtbildung und Emulgierung und ist darüber hinaus sehr zugfest und flexibel. PVAL wird als Stützstrukturmaterial im 3D-Druck z. B. bei überhängenden Strukturen, komplexen Geometrien und Hohlräumen sowie Aussparungen eingesetzt.

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Bei dieser Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen:
Wikipedia; Dassault Systems; gluehbirne.de; botland blog; einfach3ddruck; Expafol; Kraiburg TPE; Item; study smarter; K. D. Feddersen; Industry of Things; Lebensmittellexikon.de; 3Dnatives

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