Glasübergangstemperaturen von 3D-Filamenten verstehen & optimieren

In diesem Artikel erfahren Sie, was der Glasübergang ist, bei welchen Temperaturen die gängigsten Filamenttypen diesen Zustand erreichen, wie sich diese von den Schmelztemperaturen unterscheiden, wie Sie den Glasübergang bei 3D-gedruckten Modellen erhöhen können (etwa bei PLA) und vieles mehr!

Legen wir also direkt los!

Was ist die Glasübergangstemperatur?

In der Chemie ist die Glasübergangstemperatur (Tg) die Temperatur, bei der ein Material vom starren, kristallinen Zustand in einen glasartigen, amorphen Zustand übergeht. Anders ausgedrückt: Die Glasübergangstemperatur ist der Punkt, an dem ein Feststoff seine physikalischen Eigenschaften von denen eines harten, kristallinen Feststoffs zu denen eines amorphen Feststoffs (gummiartiger Zustand) ändert.

Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der die molekulare Bewegung im Wesentlichen eingefroren ist. Sie ist ein direktes Ergebnis der Stärke intermolekularer Anziehungskräfte wie Van-der-Waals-Kräfte.

Van-der-Waals-Kräfte entstehen durch die Anlagerung von Elektronen in Molekülen. Wenn zu viel Wärmeenergie vorhanden ist, werden die Anziehungskräfte zwischen den Molekülen zerstört und der Glasübergang tritt ein.

Für alle, die nicht „Chemie“ sprechen: Die Glasübergangstemperatur eines Materials ist die Temperatur, bei der es von einem harten, etwas spröden Feststoff zu einem weicheren, etwas gummiartigen/zähen Material übergeht. Mit „zäh“ ist nicht die Konsistenz von Kaugummi oder Sirup gemeint, sondern dass man das Material zusammendrücken kann, ohne dass es bricht oder splittert.

Glasübergangs- und Schmelztemperaturen gängiger 3D-Filamente

Filament	Düsentemperatur	Glasübergang Tg (°C)	Schmelztemperatur Tm (°C)	Heizbett-Temperatur	Verzugsrisiko	Druckbarkeit	Kosten (pro kg)
PLA	180–230 °C	60–65 °C	155 °C	60 °C (nicht zwingend)	Gering	Einfach	10–25 $
ABS	230–250 °C	105 °C	Amorph	ca. 100 °C	Mittel	Mittel	15–25 $
PETG	230–250 °C	80–82 °C	210 °C	ca. 100 °C	Gering	Einfach	15–20 $
Nylon	230–260 °C	70–80 °C	217 °C	80–100 °C	Mittel	Mittel	50–65 $
ASA	220–250 °C	100 °C	250–260 °C	ca. 100 °C	Gering	Mittel	30–50 $
Polycarbonat	270–310 °C	147 °C	260 °C	90–110 °C	Hoch	Schwierig	30–60 $
HIPS	230–250 °C	88–92 °C	180–270 °C	ca. 100 °C	Gering	Mittel	20–60 $
TPE	210–230 °C	60–130 °C	150–210 °C	Nicht erforderlich	Gering	Einfach	80–100 $

Unterschied zwischen Glasübergangs- und Schmelztemperatur

Glasübergangstemperatur (Tg) und Schmelztemperatur (Tm) sind eng verwandte physikalische Eigenschaften, aber keineswegs identisch – obwohl beide einen Zustandsänderung betreffen, beschreiben sie grundverschiedene Phänomene.

Der Glasübergang, ein Phänomen im Zusammenhang mit der Viskosität, ist nicht notwendigerweise der Übergang zwischen fest und flüssig, sondern der Übergang zwischen einem starren Feststoff und einem gummiartigen Feststoff. Wissenschaftlich ausgedrückt: Die Schmelztemperatur ist die Temperatur, bei der ein Feststoff zu schmelzen beginnt und flüssig wird, während die Glasübergangstemperatur den Punkt markiert, an dem ein Feststoff gummiartig wird, aber nicht flüssig.

Zur Veranschaulichung: Stellen Sie sich vor, Sie backen eine Pizza. Wenn Sie Käsescheiben aus dem Gefrierfach nehmen, sind sie hart. Nach wenigen Minuten bei Raumtemperatur werden sie weich und gummiartig – das ist die Glasübergangstemperatur (Tg) des Käses.

Wenn Sie den Käse auf der Pizza verteilen und in den Ofen schieben, schmilzt er – das ist die Schmelztemperatur (Tm), also die Temperatur, bei der er vom gummiartigen Feststoff in eine zähflüssige Schmelze übergeht.

Was bedeutet eine höhere Glasübergangstemperatur?

Eine höhere Glasübergangstemperatur (Tg) bedeutet, dass ein Material länger braucht, um beim Erhitzen von einem festen in einen weichen Zustand überzugehen. Wenden Sie Hitze auf ein Material mit Tg 200 °C an, wird es bei 200 °C weich. Ein Material mit Tg 390 °C wird erst bei 390 °C weich. „Weich“ bedeutet hier: Es verliert Zugfestigkeit, Steifigkeit und Härte. Das Objekt kann sich sogar unter eigenem Gewicht verformen, wenn es Temperaturen über seiner Glasübergangstemperatur ausgesetzt wird.

Was passiert mit Filament oberhalb der Glasübergangstemperatur?

Ein Filament, das über seiner Glasübergangstemperatur (Tg) liegt, befindet sich in einem thermodynamisch instabilen glasartigen Zustand und zeigt alle Eigenschaften einer Flüssigkeit.

Sie können die Werte aus der obigen Tabelle als Orientierung nutzen, aber prüfen Sie stets die Spezifikationen des Herstellers Ihres Filaments – dieser liefert detailliertere Druckempfehlungen.

Warum ist dies für die Heizbett-Temperatur relevant?

Zwei Hauptprobleme hängen mit der Temperatur des extrudierten Filaments bzw. des Heizbetts und der Abkühlgeschwindigkeit zusammen: Verzug (Warping) und Elefantenfuß (Elephant's Foot).

Verzug (Warping)

Warping ist die Neigung eines gedruckten Teils, sich während des Drucks nach oben zu verziehen. Der Hauptgrund: Die unteren Schichten werden auf eine kalte Bauplatte gedruckt und ziehen sich beim Abkühlen stärker zusammen als die oberen Schichten. Dadurch biegen sich die oberen Schichten nach außen, was zu ungleichmäßigen Spannungen und Verzug führt.

Um Warping zu reduzieren, haben Hersteller beheizte Betten eingeführt. Diese verhindern das schnelle Abkühlen der unteren Schichten. Druckt man die ersten Schichten auf ein bereits auf die filamentabhängige Temperatur aufgeheiztes Bett, ziehen sie sich nicht stärker zusammen als die oberen Schichten – der Verzug wird deutlich reduziert oder ganz vermieden.

Hier kommt die Glasübergangstemperatur ins Spiel: Statt das Bett auf eine willkürliche Temperatur einzustellen, setzt man es knapp unter die Tg des Filaments. So wird Warping vollständig eliminiert und die Haftung verbessert sich.

Zusatztipp: Leveln Sie das Bett bei der Drucktemperatur – das liefert die besten Ergebnisse.

Elefantenfuß (Elephant's Foot)

Elefantenfuß entsteht meist durch unzureichend gekühlte erste Schichten. Ist die Betttemperatur zu hoch oder die Kühlung ungenügend, kühlt die erste Schicht nicht schnell genug ab. Das Gewicht des Objekts drückt auf die noch weiche erste Schicht, die sich nach außen wölbt.

Da die Betttemperatur über der Tg des Filaments liegt, kühlt der Boden nicht richtig ab und wölbt sich. Kennt man die Tg und stellt das Bett leicht darunter ein, lässt sich der Elefantenfuß vermeiden.

Wann ist eine höhere Glasübergangstemperatur wichtig?

Die Tg gibt Aufschluss darüber, ab welcher Temperatur ein 3D-gedrucktes Teil vom festen, nutzbaren Objekt in einen weichen, gummiartigen, unbrauchbaren Zustand übergeht – der sich sogar unter eigenem Gewicht verformen kann.

Deshalb ist es entscheidend, die Tg des verwendeten Filaments zu kennen, um einzuschätzen, wie das gedruckte Teil eingesetzt werden kann. Kunststoffe wie PLA verformen sich schnell, wenn sie in der Sonne oder im Auto liegen.

Filamente für den Außeneinsatz

Für Objekte, die im Freien verwendet werden, eignet sich ABS besser, da seine Tg (105 °C) weit über den Außentemperaturen selbst an heißen Sommertagen liegt. PLA hingegen kann sich bei Hitze im Freien verformen.

Auch PETG, ASA und andere Filamente sind für den Außeneinsatz geeignet. Dazu habe ich einen separaten Artikel geschrieben – schauen Sie dort gerne rein.

Anwendungen mit hoher Temperaturbelastung

Drucken Sie Teile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, ist ein Filament mit hoher Tg unerlässlich – andernfalls verformt sich das Teil.

Beispiel: Ein Teil aus PETG (Tg 82 °C) bei 85–95 °C Einsatzertemperatur wird unweigerlich versagen. PLA mit seiner sehr niedrigen Tg eignet sich nicht für Anwendungen, bei denen das Material solchen Temperaturen nahekommt.

Geeignete Filamente für hohe Temperaturen sind ABS, Polycarbonat, ASA u. a. (siehe Tabelle am Anfang).

Schmilzt PLA im Auto?

PLA (Polylactid) ist ein aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais und Zuckerrohr hergestellter Thermoplast. Es bietet gute Druckqualität, Schichthaftung und moderate Festigkeit – einer meiner Favoriten für Zahnräder, nur Nylon ist besser.

Es gibt sogar soja- und maisbasierte PLA-Filamente, die biologisch abbaubar sind!

Dennoch ist PLA für Autoteile **ungeeignet**, da seine Tg bei 60–65 °C liegt. An heißen Sommertagen verformen sich PLA-gedruckte Autoteile. Für den Motorraum erst recht nicht.

Deshalb werden Autoteile meist aus ABS gefertigt: Es ist zäher und seine Tg liegt bei 105 °C.

Lässt sich die Glasübergangstemperatur von PLA-Teilen verbessern?

Ja, durch Zusätze oder nachträgliche Wärmebehandlung (Tempern/Annealing) lässt sich die Tg von PLA-Teilen erhöhen – mit potenziellen Kompromissen bei Festigkeit und Verarbeitbarkeit.

PLA-Derivate wie TPLA oder HTPLA bieten die Vorteile von Standard-PLA, können aber nach dem Druck wärmebehandelt werden. So behalten sie Form und Steifigkeit bei deutlich höheren Temperaturen als Standard-PLA.

Die beste Methode, die Tg von Standard-PLA-Drucken zu erhöhen, ist das **Annealing** (Erhitzen auf Tg, aber unterhalb des Schmelzpunkts).

Vorteile des Annealings

Die thermische Nachbehandlung wird „Annealing“ genannt. Gängige Methoden: Umluftofen, Herd oder indirekte Wärmequellen.

Dadurch reorganisiert sich die interne Kristallstruktur, es bilden sich größere Kristallite – das Resultat sind deutlich festere Objekte, die weniger zur Schichtdelamination neigen. Tests zeigen bis zu 40 % Steigerung von Festigkeit und Gesamtwiderstand.

Nachteile: Falsch durchgeführt verzieht sich das Modell, schrumpft in X- und Y-Richtung und dehnt sich in Z-Richtung aus.

Wichtig: Annealing erfordert **100 % Infill**. Bei 20–30 % Infill kontrahiert das Teil unvorhersehbar – das Ergebnis ist fast immer unbrauchbar. Der Infill muss das Teil während des Prozesses stützen. Am besten eignet sich der günstige, schnelle Linien-Infill.

Höhere Beständigkeit

3D-Druck ist kosteneffizient für komplexe Teile, doch die strukturelle Integrität reicht oft nicht an Spritzguss heran – besonders unter hohen Belastungen. Annealing verbessert die physikalischen Eigenschaften, da die Schichten stärker miteinander verschmelzen.

Erhöhung der Glasübergangstemperatur

Annealing erhöht auch die Temperaturbeständigkeit. Standard-3D-Drucke haben eine amorphe, zufällige Molekularstruktur – sie haben keinen festen Schmelzpunkt, sondern werden beim Erhitzen allmählich weicher, bis sie vollständig schmelzen. Beim Annealing ordnen sich die Moleküle in eine teilweise organisierte, halbkristalline Struktur. Das Resultat: stärkere intermolekulare Bindungen und damit höhere Tg.

In einem Experiment wurde ein PLA-Objekt (Tg 60 °C) bei 90 °C geannealt. Ergebnis: Die Tg stieg auf 110 °C – fast eine Verdopplung und damit Beseitigung einer der größten Hürden von Standard-PLA.

Einfachere Nachbearbeitung

FDM-Drucke haben raue Oberflächen, was Lackieren oder Beschichten erschwert. Annealing glättet Oberflächen, füllt Lücken und verleiht ein professionelles Erscheinungsbild – was Nachbearbeitungszeit spart und das Teil gleichzeitig stärkt!

Unsere Produktempfehlungen

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