Eine Einführung in den 3D-Druck mit Kunststoffen

Seit Chuck Hull vor über 30 Jahren seinen ersten Prototypen zu Hause druckte, sind Kunststoffe die Materialart, die am meisten mit dem Bereich der additiven Fertigung in Verbindung gebracht wird. Der 3D-Druck mit Kunststoffen ermöglicht die schnelle Erstellung hochwertiger Prototypen, bietet jedoch mit den jüngsten Fortschritten bei Druckmaterialien und -technologien auch Möglichkeiten zur Herstellung von Funktionsteilen, die für die Massenproduktion geeignet sind. In diesem kurzen Tutorial werden wir einige der derzeit verfügbaren Optionen für das Drucken mit Kunststoffen, ihre jeweiligen Vor- und Nachteile und einige der wichtigsten Dinge, die Sie berücksichtigen sollten, bevor Sie ein Material für Ihr Projekt auswählen, genauer betrachten.

Die Evolution von Kunststoffmaterialien für die additive Fertigung

Die Zahl der Materialien, die für additive Fertigungsprojekte zur Verfügung stehen, hat sich im Laufe der Jahre erheblich erweitert, sodass eine Reihe von Optionen heute unter dem Begriff „Kunststoffe“ zusammengefasst werden. Es ist daher wichtig, Ihre Optionen für jedes Projekt sorgfältig abzuwägen, bevor Sie die Entscheidung treffen, womit Sie drucken möchten. Ihre Optionen umfassen:

• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). ABS wird heutzutage für eine Vielzahl von Funktionsteilen verwendet, von Abflussrohren über Autoteile bis hin zu LEGO-Steinen! ABS ist vielseitig einsetzbar, besonders stark, langlebig und für Nachbearbeitungstechniken wie Schleifen oder Kleben geeignet. Das Material ist jedoch nicht biologisch abbaubar und muss bei Nichtgebrauch in einem luftdichten Behälter aufbewahrt werden, da es Feuchtigkeit aufnehmen und durch längere Sonneneinstrahlung beeinträchtigt werden kann – beides verringert die Qualität Ihrer gedruckten Teile. Außerdem können sich die dabei entstehenden Dämpfe als reizend erweisen, was bedeutet, dass während des Druckens eine Belüftung erforderlich ist (obwohl bestimmte Drucker Filter verwenden, um dies auszugleichen).
• PLA (Polymilchsäure). PLA ist ein biologisch abbaubares Material, das aus erneuerbaren Quellen hergestellt wird. Dies bedeutet, dass es besonders zum Bedrucken von Einwegartikeln oder anderen Teilen geeignet ist, bei denen Umweltfaktoren ein ernstes Problem darstellen. Es wurde sogar in medizinischen Anwendungen verwendet, um Nähte und chirurgische Teile herzustellen, die nach der Heilung des Patienten einfach in harmlose Milchsäure zerfallen. Es lässt sich wie ABS schleifen und lackieren, allerdings ist das Kleben etwas härter und hält Hitze nicht ganz so gut stand. Es erfordert auch eine sorgfältige Lagerung, wie bei ABS, da die Aufnahme von Feuchtigkeit das Druckergebnis beeinträchtigen kann.
• PVA (Polyvinylalkohol). Dabei handelt es sich um einen speziellen wasserlöslichen Kunststoff, der häufig verwendet wird, um während des Druckprozesses Stützstrukturen für Teile zu schaffen, die später einfach wieder aufgelöst werden können. Dies kann die Nachbearbeitung beschleunigen, ist jedoch nur mit Druckern mit mehreren Extrudern erreichbar. Es ist auch ziemlich teuer und erfordert jederzeit eine luftdichte Lagerung.
• PC (Polycarbonat). Dies ist ein hochfester, widerstandsfähiger Thermoplast, der häufig zur Herstellung von CDs, kugelsicherem Glas und anderen Produkten verwendet wird, bei denen Haltbarkeit ein Schlüsselfaktor ist. Es hat eine hohe Schlagzähigkeit und eine transparente Optik, die für viele Benutzer sehr attraktiv ist. Wie bei ABS erfordert es jedoch während des Druckens eine Belüftung, da es viele feine Partikel produziert, die die Augen der Benutzer reizen und die Druckköpfe verstopfen können, wenn sie nicht richtig gewartet werden. Es ist auch anfälliger für Verformungen als andere Materialien.
• HDPE (Polyethylen hoher Dichte). HDPE ist ein thermoplastischer Kunststoff auf Erdölbasis, der häufig zur Herstellung recycelbarer Teile wie Flaschen verwendet wird. Sein Hauptnachteil besteht darin, dass es ziemlich schwierig ist, sich mit anderen Materialien zu verbinden und im Vergleich zu anderen Optionen ziemlich schwierig zu verarbeiten sein kann. Für Unternehmen, die nachhaltig und umweltschonend produzieren möchten, ist es jedoch eine sehr attraktive Option.
• HIPS (hochschlagfestes Polystyrol). Dies ist ein weiteres lösliches Trägermaterial, ähnlich wie PVA, obwohl es sich in Limonen und nicht in Wasser auflöst und beim Drucken ähnliche Materialeigenschaften wie ABS aufweist. Dies ist ein relativ neues Material, das sich bei additiven Fertigungsunternehmen immer noch etabliert.
• PA (Nylon). Nylon ist eine relativ neue Ergänzung der Familie der 3D-Druckmaterialien, die eine unglaubliche Vielseitigkeit in Bezug auf Veredelung und Farboptionen bietet. Es ist auch ein reibungsarmes Material, was es zu einer sehr attraktiven Option für den Druck von Maschinenteilen wie Zahnrädern macht. Es ist stark, langlebig und flexibel. Bedenken Sie jedoch, dass es vor dem Drucken getrocknet werden muss und sich verziehen kann, wenn es zu schnell abgekühlt wird. Beim Drucken mit Nylon ist die Drucktemperatur normalerweise höher als bei anderen Materialien, stellen Sie also sicher, dass Ihr Drucker dies unterstützt.
• PEEK (Polyetheretherketon). Dies ist ein thermoplastisches Polymer, das aufgrund seiner chemisch inerten, biokompatiblen und sterilisierbaren Natur im medizinischen Bereich häufig zur Herstellung von chirurgischen Implantaten verwendet wird. Aufgrund seiner hervorragenden Härte- und Abriebeigenschaften wird auch an möglichen Anwendungen in der Automobilindustrie geforscht. Trotz seiner beträchtlichen Vielseitigkeit kann PEEK jedoch eine Herausforderung beim Drucken sein, sodass ein Spezialdrucker mit einer geschlossenen Kammer und einem Heizbett erforderlich ist, das Temperaturen von bis zu 400°C erreichen kann.
• TPE (ThermoPlastisches Elastomer). TPE ist ein vielseitiges, ungiftiges, gummiartiges Material, das häufig zum Bedrucken flexibler Teile (Federn, Handyhüllen usw.) verwendet wird. Es ist jedoch nicht für alle Drucker geeignet, da bekannt ist, dass das Filament bei bestimmten Extrudertypen Verstopfungen verursacht.
• TPU (thermoplastisches Polyurethan). TPU ähnelt in seinen mechanischen Eigenschaften TPE, ist aber etwas leichter zu bedrucken und eignet sich aufgrund seiner höheren Beständigkeit gegen Abrieb, Lösungsmittel, Öle und Fette besser für Arbeitsteile. Es behält auch bei kälteren Temperaturen seine Elastizität.
• PMMA (Polymethylmethacrylat). PMMA, auch Acrylkunststoff genannt, ist ein starrer, transparenter Kunststoff, der sich ideal für kleinere Drucke mit vielen feinen Details eignet. Dies macht es zu einer äußerst attraktiven Wahl für kreative Anwendungen wie Miniaturen oder Skulpturen oder alle Teile, die eine Lichtstreuung erfordern. Es ist ungeeignet für Teile, die Hitze oder Belastung ausgesetzt sind, und obwohl der erreichbare Detailgrad sehr hoch ist, sind einzelne Schichten etwas besser sichtbar als bei anderen Materialien, daher sollte dies in Ihrem 3D-Modell berücksichtigt werden. Außerdem erfordert das Drucken mit PMMA möglicherweise eine Feinabstimmung der Düse und des Heizbetts auf einem Drucker mit einer geschlossenen Kammer, um die Schrumpfung während des Abkühlvorgangs zu minimieren.

Vor kurzem wurde eine Reihe von kunststoffbasierten Materialien eingeführt, die metallische Elemente enthalten, wodurch Objekte mit einigen der Qualitäten von Metallteilen gedruckt werden können, ohne die zusätzliche Komplexität des 3D-Drucks mit Metall.

Die wichtigsten Punkte bei der Auswahl eines Kunststoffs

1. Welche Materialeigenschaften benötigen Sie von Ihrem fertigen Druckteil? Dies sollte vor einer Entscheidung völlig klar sein. Überlegen Sie, wofür es schließlich verwendet wird; soll es ein prototyp oder ein funktionales produkt sein, das im alltag intensiv genutzt wird?
2. Überprüfen Sie den Filamentdurchmesser, um sicherzustellen, dass er mit Ihren Druckern kompatibel ist. Obwohl bestimmte Drucker mehrere Durchmesser akzeptieren können, lohnt es sich dennoch, vor dem Kauf zu prüfen.
3. Überprüfen Sie die minimale/maximale Wandstärke, die gedruckt werden kann, und stellen Sie sicher, dass Ihr 3D-Modell dies berücksichtigt.
4. Überlegen Sie, ob beim Drucken Stützen oder Überhänge erforderlich sind und stellen Sie sicher, dass diese in Ihrem Modell berücksichtigt werden, um seine Stabilität zu gewährleisten. Wenn Ihr Drucker dies zulässt, sollten Sie ein spezielles Supportmaterial in Betracht ziehen.
5. Stellen Sie sicher, dass die richtigen Speichermethoden verwendet werden. Wie Sie oben gesehen haben, erfordern viele der häufig verwendeten 3D-Druckmaterialien aus Kunststoff spezielle Aufbewahrungsmethoden, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu gewährleisten. Befolgen Sie die mitgelieferten Anweisungen, wenn Sie Ihre Filamente zwischen Projekten aufbewahren.
6. Stellen Sie sicher, dass Ihr Drucker mit der richtigen Extrusionstemperatur für das gewählte Material arbeiten kann und dass ein geeignetes Heizbett verwendet wird. Die falsche Temperatur führt zu suboptimalen Ergebnissen.