Welches 3D-Drucker-Filament ist das stärkste? Expertenratgeber zu Haltbarkeit und Leistung

Drucker der FDM/FFF-Variante (Filament Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication) fertigen Teile aus Kunststoffsträngen, sogenannten Filamenten. Der Kunststoff wird geschmolzen und extrudiert, um das 3D-Modell zu erstellen. Es gibt verschiedene Arten von 3D-Druckerfilamenten, die für ihre Stärke und Haltbarkeit bekannt sind. Ihre Definition des stärksten hängt jedoch von der spezifischen Anwendung und den Anforderungen des gedruckten Teils ab. 

Es gibt zwei grundlegende Interpretationen von „Festigkeit“, die auf das Zugverhalten von 3D-Druckerfilamenten angewendet werden können. Sie hängen von der eventuellen Zugbelastung des fertigen Teils ab. 

In einem Fall wird das Teil in einer Richtung belastet, die mit den Filamenten ausgerichtet ist. Wenn dies der Fall ist, führt die hohe Zugfestigkeit des Rohfilaments auch zu einer guten Zugfestigkeit des fertigen Artikels. 

Der andere Fall tritt auf, wenn das Teil senkrecht zu den Druckschichten belastet wird. An diesem Punkt wird das „stärkste 3D-Filament“ zum Ausdruck der Adhäsionsstärke zwischen benachbarten verbundenen Filamenten und nicht der intrinsischen Filamentstärke. Diese letztere Situation führt zu einer Definition, bei der die Frage der Festigkeit als „Welches Filament verbindet sich am sichersten“ betrachtet. 

Diese beiden Filamenteigenschaften (neben anderen) sind entscheidend, wenn Sie hoch belastbare, biegetolerante und abriebfeste Modelle bauen möchten. Sie müssen die Anforderungen im endgültigen Aufbau ausgleichen und dabei auf Zugfestigkeit, Biegefestigkeit, Verschleißhärte, Schlagzähigkeit und mehr abzielen. Jeder Filamenttyp kann Ihren Modellen unterschiedliche Vorteile bieten, aber keiner ist für alle Situationen geeignet. Denken Sie auch daran, dass Ihr Drucker möglicherweise nicht alle möglichen Baumaterialien akzeptiert und einige Filamente mehr Designbeschränkungen unterliegen als andere. Und egal für welche Art Sie sich entscheiden, die Eigenschaften des Endprodukts hängen stark von der Qualität des Designs und den Überlegungen ab, die Sie in die Design-for-Manufacturing-Prinzipien (DFM) stecken.

In diesem Artikel werden mehrere 3D-Druckfilamente untersucht, von denen man annimmt, dass sie über ausgewogene Eigenschaften verfügen, und einige der Konzepte besprochen, die Sie beim Design für sie berücksichtigen müssen. 

Welche Arten von 3D-Druckerfilamenten gibt es?

FDM/FFF-Filamente gibt es in vielen Materialien, mit einer noch größeren Auswahl an Zusatzstoffen, die bestimmte Eigenschaften wie Abriebfestigkeit, Zugfestigkeit und Biegezähigkeit verbessern. Nachfolgend sind die Filament-Basismaterialien aufgeführt, die allgemein als die höchste Festigkeit, Zähigkeit und Haltbarkeit in 3D-gedruckten Modellen gelten:

1. Polycarbonat

Filamente aus Polycarbonat (PC) ergeben Modelle mit hoher Festigkeit, Zähigkeit und Hitzebeständigkeit. Entlang der Axialrichtung des Filaments weist es eine Zugfestigkeit von 66 MPa auf. Zu seinen Vorteilen gehören:hohe Festigkeit, Temperaturtoleranz und optische Klarheit. Andererseits kann PC schwierig zu bedrucken sein und neigt schlecht dazu, Feuchtigkeit aufzunehmen. PC kostet 70–200 $ pro kg bei 1,75 mm Durchmesser. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden „Was ist Polycarbonat?

2. Nylon

Modelle aus Nylonfilamenten sind für ihre Festigkeit und Verschleißfestigkeit bekannt. Das Material hat je nach Sorte eine Zugfestigkeit von 50-90 MPa. Nylon ist ein robustes, kostengünstiges Material. Allerdings kann es schwierig sein, qualitativ hochwertige Modelle zu drucken, und das Material wird stark schwächer, wenn sein Feuchtigkeitsgehalt zu niedrig ist. Nylon kann für 40–100 $ pro kg bei einem Durchmesser von 1,75 mm gekauft werden. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden „Alles über Nylon-3D-Druckfilamente“.

3. TPU

Thermoplastisches Polyurethan (TPU) bildet hochbelastbare und elastische Gegenstände, die starken Stößen und Abrieb standhalten. Seine inhärente Elastizität macht es in vielerlei Hinsicht zu einem „starken“ Material. TPU hat eine Zugfestigkeit von 50 MPa. Das Problem besteht darin, dass es leicht die Druckerdüsen verstopfen kann und langsam gedruckt werden muss. TPU kostet bei einem Durchmesser von 1,75 mm 30–60 US-Dollar pro kg. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu Thermoplastischem Polyurethan, Engineering (ETPU).

Was versteht man unter Zugfestigkeit des 3D-Drucker-Filaments?

Die Zugfestigkeit eines 3D-Druck-Filaments beschreibt die maximale Zugbelastung, der ein Filament standhalten kann, bevor es entweder bricht oder eine dauerhafte (unelastische und nicht rückstellbare) Dehnung erfährt. Thermoplastische Polymere, wie sie beispielsweise im FDM/FFF-Druck verwendet werden, haben elastische Dehnungslastgrenzen. Wenn die Belastung unterhalb der Elastizitätsgrenze des Filaments liegt, kehrt es nach Wegnahme der Belastung zu seinen ursprünglichen Abmessungen zurück. Wenn die elastische Belastungsspannung überschritten wird, kommt es zu einer bleibenden Verformung oder einem Bruch.

Was versteht man unter Schlagfestigkeit für das 3D-Drucker-Filament?

Die Schlagfestigkeit eines 3D-Druckfilaments ist das Maß für die Reaktion des Filaments auf plötzliche Stöße oder Stoßbelastungen. Ein starkes Material sollte die Aufprallenergie absorbieren und sich verformen, ohne zu brechen. Dies ist eine wichtige Eigenschaft für Materialien, die beispielsweise in mechanischen Teilen, Spielzeug und Schutzausrüstung verwendet werden.

Es ist zu beachten, dass die Schlagfestigkeit eines 3D-gedruckten Artikels nicht allein durch das eigenständige Filament bestimmt wird. Faktoren wie die Aufbaurichtung im Verhältnis zum Aufprall, die „innere“ Gitterfüllungskonstruktion/-dichte und die Verschmelzung der Filamentschichten wirken sich ebenfalls auf die Leistung aus. In vielen Fällen sind diese Faktoren insgesamt wichtiger als die Schlageigenschaften des Rohfilaments. 

Welche anderen Festigkeitsmetriken werden für 3D-Druckerfilamente verwendet?

Druckerfilamente haben andere festigkeitsbezogene Eigenschaften, die für Ihren Designprozess von entscheidender Bedeutung sein können. Es gibt auch festigkeitserhaltende Eigenschaften, die bei dieser Analyse berücksichtigt werden sollten. Dies können zwar Eigenschaften des Filaments sein, es ist jedoch sinnvoller, diese als Eigenschaften eines Modells zu betrachten , hergestellt unter Verwendung eines Filamenttyps . Diese Stärkemetriken sind unten aufgeführt:

1. Biegefestigkeit: Misst den Widerstand eines Filaments oder Modells gegen Bruch oder dauerhafte Verformung, wenn es einer Biegekraft ausgesetzt wird. 
2. Bruchdehnung: Misst die Fähigkeit eines Filaments oder Modells, einem Bruch unter konstanter Zugbelastung zu widerstehen, indem es bei zunehmender Belastung eine dauerhafte (unelastische) Verformung erleidet. Wenn es schließlich zu einem Bruch kommt, ist eine plastische Verformung auf beiden Seiten des Bruchs messbar.
3. Scherfestigkeit: Misst die Fähigkeit eines Materials oder Modells, Bruch oder Verformung unter Scherbelastung zu widerstehen. Die Scherfestigkeit des Schüttgutes steht nur in geringem Zusammenhang mit der Scherfestigkeit eines gedruckten Teils. Scherlastsituationen sind oft komplex und stellen keine reine Scherung des Materials dar. Dadurch hängen die tatsächlichen Testergebnisse weitaus stärker von der Druckausrichtung, dem Teiledesign und den Belastungsszenarien ab als von den grundlegenden Filamenteigenschaften.
4. Druckfestigkeit: Misst die Fähigkeit eines Filaments oder Modells, Kräften standzuhalten, die es komprimieren oder quetschen. Dies unterscheidet sich von der Neigung des Modells, sich unter Druck als Ganzes zu biegen – eine Situation, die stattdessen auf der Biegeelastizität beruht. In der Realität wird die Druckfestigkeit des Filaments nur geringfügig mit der eines 3D-Drucks vergleichbar sein, es sei denn, der Druck ist massiv und vom Querschnitt her äußerst einfach. 
5. Abriebfestigkeit: Misst den Oberflächenwiderstand eines Filamentmodells gegen Versagen durch Abplatzen oder Schleifen bei wiederholtem Abrieb durch ein ähnlich hartes (oder härteres) Material.
6. Ermüdungsbeständigkeit: Definiert die Toleranz des Materials gegenüber zyklischer Belastung, die sich seinen physikalischen Grenzen nähert. Dehnungsrate, Erholungszeit und Gesamtzahl der Zyklen bei einer solchen Belastung können sich alle negativ auf das Material auswirken. Dies kann sowohl von der Baurichtung und anderen Bauparametern als auch von den Schlüsseleigenschaften des Materials selbst abhängen. 
7. Reißfestigkeit: Misst die Fähigkeit eines Filaments und des Modells, einem Reißen zu widerstehen. Dies hängt von den Druckparametern ab, wenn der Riss entlang der Schichtebenen erfolgt. Nur wenn der Riss in axialer Richtung des Filaments erfolgt, beruht diese Festigkeit vollständig auf den intrinsischen Eigenschaften des Materials. Reißen und Scheren sind eng verwandte Modi.
8. Hitzebeständigkeit: Definiert die Fähigkeit eines Modells, seine anderen Eigenschaften bei steigenden Temperaturen beizubehalten. Wenn das Polymer eine hohe Glasübergangstemperatur hat, verträgt es höhere Einsatztemperaturen, bevor es schwächer wird.
9. Kriechwiderstand: Definiert die Fähigkeit eines Modells, seine Dimensionsstabilität unter einer konstanten Belastung über längere Zeiträume beizubehalten.
10. Chemische Beständigkeit: Definiert die Fähigkeit eines Materials, seine Eigenschaften beizubehalten, wenn es aggressiven Chemikalien wie Lösungsmitteln, Säuren und Basen oder Bedingungen wie UV-Einwirkung ausgesetzt wird. 

Einige der oben genannten Parameter stimmen eng mit den Grundeigenschaften des Filamentmaterials überein, während andere stark vom Design und der Konfiguration des Druckartikels abhängen. 

Was ist Filament für 3D-Drucker?

3D-Druckerfilament ist der Polymerrohstoff, der durch den Druckerextruder geführt und geschmolzen wird, um gedruckte Modelle herzustellen. Bei diesem Ausgangsmaterial kann es sich um ein beliebiges Polymer aus einer Reihe von Polymeren handeln und es kann weitere Additive enthalten, die die Polymereigenschaften modifizieren. Das Filament-Rohmaterial wird auf einbaufertigen Rollen geliefert, die dem Extruder von einer festen Position aus über eine Führung Material zuführen. Das Filament wird von einem Zuführmechanismus aus Zahnrädern oder Klemmrädern erfasst, der es von der Spule zieht und bei Bedarf durch die beheizte Düse des Extruders drückt.

Was ist ein Hochleistungspolymer?

Hochleistungspolymere unterscheiden sich von weniger verbreiteten Materialien durch eine Reihe möglicher Materialeigenschaften. Hochleistungsmaterialien sind in der Regel in mindestens einer dieser Eigenschaften überlegen: 

1. Zugfestigkeit
2. Scherfestigkeit
3. Biegefestigkeit
4. Temperaturgrenze, bevor sich die Eigenschaften zu verschlechtern beginnen
5. Chemische Widerstandsfähigkeit
6. Tragefestigkeit
7. Kriechfestigkeit
8. Elastizität

Was ist Verbundfilament?

Verbundfilamente für FDM/FFF sind 3D-Druckfilamente, die Additive im Basisfilamentpolymer enthalten. Additive wie Holzfasern, Metallpulver, Kohlenstoff- oder Kevlar®-Fasern und viele andere Materialien werden verwendet, um bestimmte Eigenschaften von Basis- und Hochleistungsdruckpolymeren zu verbessern. Die Verbundwerkstoffe sollen die Eigenschaften oder Funktionalität gegenüber reinen Polymeren verbessern. 

Holzfasern mit rundem Querschnitt und glatter Oberfläche verbessern die Festigkeit, Steifigkeit und Dichte gedruckter Teile. Mit Kevlar®, Kohlefaser oder Graphen beladene Filamente weisen in der Regel eine überlegene Festigkeit, Zähigkeit und Steifigkeit auf. In ausreichend großen Anteilen kann Graphen das Material sogar elektrisch leitfähig machen. Filamente, die Pulver aus Bronze, Kupfer und Edelstahl enthalten, bieten keine erhöhte Festigkeit, können aber ein metallähnliches Aussehen erzeugen. Mit Verbundfilamenten können Sie eine oder mehrere Eigenschaften von 3D-gedruckten Teilen ändern, es gibt jedoch Druckprobleme, die die Verwendung solcher Materialien in einfacheren Maschinen erschweren können.

Welches ist das stärkste 3D-Drucker-Filament, das ich wählen kann?

Das stärkste 3D-Drucker-Filament hängt von Besonderheiten ab, wie z. B. der erwarteten Belastungsart, der Belastungsintensität, der Design-Build-Ausrichtung und der Fülldichte des 3D-gedruckten Teils. Allerdings sind die folgenden derzeit die stärksten 3D-Drucker-Filamente:

1. Kohlefaserverstärktes Nylon: Dies kombiniert die Festigkeitssteigerung von Kohlefaserzusätzen mit der Zähigkeit und Haltbarkeit von Nylon und macht es zum allgemein stärksten 3D-Druckmaterial.
2. Polycarbonat: PC ist ein robustes und langlebiges Filament, das hohen Temperaturen standhält. Es bietet neben anderen erstklassigen Leistungseigenschaften auch eine hervorragende Schlagfestigkeit.
3. Polyetherimid (Ultem / PEI): Ultem ist ein Thermoplast mit ausgezeichneter Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit und wird häufig im Prototyping von Luft- und Raumfahrtkomponenten eingesetzt.

Es ist wichtig zu beachten, dass diese Filamente häufig spezielle Druckereinstellungen erfordern und möglicherweise nicht mit einfacheren FDM/FFF-Druckern kompatibel sind. Sie können erheblich schwieriger zu drucken sein, daher ist es wichtig, mit diesen Hochleistungsmaterialien zu üben, bevor Sie versuchen, unter Zeitdruck funktionale Modelle zu erstellen.