3D-Druckmaterialien: Arten, Eigenschaften & Auswahl des besten Materials

3D-Druckmaterialien

Die geplante Funktion Ihres Bauteils bestimmt das optimale 3D-Druckmaterial. PLA und ABS eignen sich gut für Prototypen. SLS-Nylon und technische Kunststoffe werden für Funktionsteile verwendet. Metalldruck kommt bei anspruchsvollen industriellen Anwendungen zum Einsatz. Wählen Sie das passende Verfahren, nachdem Sie das Material mit den Leistungsanforderungen verglichen haben.

Das Verständnis von 3D-Materialien ist wichtig, insbesondere wenn Bauteile von Konzeptmodellen zu funktionalen Anwendungen weiterentwickelt werden. Ein visueller Prototyp aus PLA sieht auf dem Schreibtisch gut aus. Er reißt und wird weich, wenn er erhitzt wird. Daher ist es wichtig zu wissen, welche Materialien welchen Anforderungen standhalten.

Boda bietet ein komplettes 3D-Druckservicevon der Materialauswahl bis zur Endfertigung für individuelle Anfertigungen 3D Druck Projekte. Egal ob Sie Kunststoffe für einen Prototyp oder Metalle für Funktionsbauteile auswählen, unser Team hilft Ihnen bei der Auswahl des richtigen Materials und Verfahrens für Ihre Anwendung.

Welche Materialien können beim 3D-Druck verwendet werden?

Die beim 3D-Druck verwendeten Materialien lassen sich im Allgemeinen in zwei Hauptkategorien unterteilen: 3D-Druck von Kunststoffen und 3D-Druck von Metallen.

Duroplaste vs. Thermoplaste: Der grundlegende Unterschied

Bevor man Materialien vergleicht, ist es wichtig, die beiden wichtigsten Kunststoffarten für den 3D-Druck zu verstehen.

Thermoplaste:

• Kann mehrfach geschmolzen und wieder verfestigt werden. Wird im FDM- und SLS-Druckverfahren verwendet. Beispiele hierfür sind PLA, ABS, PETG, Nylon und TPU.
• Die Automobilindustrie verwendet thermoplastische Nylonteile für Klammern und Halterungen, da das Material bei Bedarf durch Umschmelzen der Konstruktion verändert werden kann.
• Bevorzugt in der recyclingorientierten Produktion, da Abfallmaterialien wiederaufbereitet werden können.

Duroplaste:

• Sie härten durch UV-Licht oder Hitze dauerhaft aus und können nicht wieder eingeschmolzen werden. SLA-Harze sind Duroplaste. Sie erzeugen glatte, isotrope Bauteile mit gleichmäßiger Festigkeit in alle Richtungen.
• Dentallabore verwenden SLA-Duroplaste für chirurgische Schablonen, da dauerhafte Härte und Dimensionsstabilität von entscheidender Bedeutung sind.
• Besser als Thermoplaste, wenn es auf Hitzebeständigkeit und Oberflächenqualität ankommt, wie beispielsweise bei Schmuckgussformen.

Neue Materialien:

Hier sind einige neue 3D-Druckmaterialien

• Biologisch abbaubare Thermoplaste wie pflanzenbasierte PLA-Mischungen gewinnen in der Verpackungs- und Konsumgüterindustrie zunehmend an Bedeutung.
• Kohlenstofffaserverstärktes Nylon vereint Recyclingfähigkeit mit nahezu metallischer Steifigkeit und wird in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Robotik eingesetzt.
• Für industrielle Anwendungen unter extremen Hitzebedingungen werden keramikgefüllte Duroplaste entwickelt.

FDM 3D-Druckmaterialien

FDM-Druckfilamente 

Beim FDM-Verfahren wird thermoplastisches Material geschmolzen und schichtweise aufgetragen. Es handelt sich um das kostengünstigste und zugänglichste Druckverfahren, das sich gut für einfache Funktionsteile und grundlegende Prototypen eignet.

ABS vs. PLA

Dies ist der am häufigsten verwendete Vergleich bei der Auswahl von FDM-Materialien.

PLA ist eines der am einfachsten mit dem FDM-Verfahren zu druckenden Materialien. Es ist biologisch abbaubar und geruchlos. Es eignet sich ideal für visuelle Prototypen und Konzeptmodelle. Seine Schwäche liegt in seiner geringen Hitzebeständigkeit (es erweicht bei etwa 60 °C) und seiner Sprödigkeit bei Stößen.

Ideal für visuelle Prototypen und Konzeptmodelle. PLA eignet sich besonders für Desktop-Prototypen, bei denen keine Hitzebeständigkeit erforderlich ist.

ABS Es hält Temperaturen bis zu 100 °C stand. Es eignet sich ideal für Funktionsprototypen mit mechanischer Beanspruchung. Es stellt einen Kompromiss zwischen der Notwendigkeit eines beheizten Druckbetts und der Gewährleistung einer ausreichenden Belüftung dar.

Ideal für Funktionsprototypen unter mechanischer Belastung. Wählen Sie ABS, wenn das Bauteil Temperaturen bis zu 100 °C standhalten muss.

ABS oder PLA sind für Serienteile nicht die beste Wahl. Sowohl technische Kunststoffe als auch SLS-Nylons sind hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften überlegen.

Weitere wichtige FDM-Materialien

Anisotropie ist eine wesentliche Einschränkung beim FDM-Druck. Schichthaftung führt zu richtungsabhängiger Schwäche. Die Druckausrichtung ist wichtig, wenn das Bauteil gerichteten Belastungen ausgesetzt sein soll.

SLA-3D-Druckmaterialien

SLA-3D-Druckmaterial 

SLA ist ein Verfahren, bei dem flüssiges Harz mithilfe eines Lasers gehärtet wird. Dieses Verfahren erzeugt die hochwertigste Oberflächengüte mit engsten Toleranzen und höchster Auflösung aller Kunststoffdruckverfahren. Chemische Bindungen zwischen den Schichten sorgen für isotrope Bauteile.

SLA-Harzkategorien

SLA ist ein weit verbreitetes 3D-Druckmaterial, wobei es je nach Verwendungszweck verschiedene Arten gibt: 

• Universalharze: Dank ihrer glatten, matten Oberfläche eignen sie sich für Konzeptmodelle und visuelles Prototyping.
• Engineering ResinsDiese Kunststoffe wurden entwickelt, um das Verhalten von ABS und HDPE nachzuahmen. Sie sind druck-, biege- und stoßfest. Gehäuse, Abschirmungen und Steckverbinder sind Standardoptionen.
• Harte HarzeMit Glas oder Keramik gefüllt für maximale Stabilität. Wird in Vorrichtungen und Halterungen sowie in Hochtemperaturbauteilen zur Luftzirkulation verwendet.
• Flexibel und Elastisch Harze: Sie ahmen das Verhalten von Silikon oder Gummi nach. Diese Harze lassen sich wiederholt biegen, ohne zu reißen. Ideal für Prototypen von Medizinprodukten.
• Hoch-Temp ResinsSie behalten ihre Form auch bei Erhitzung. Sie werden für Formen und Einsätze sowie für hitzeexponierte Teile verwendet.
• Biocompatibl zu Resins: Konzipiert für zahnmedizinische und medizinische Anwendungen, bei denen Materialsicherheit erforderlich ist.

SLA bietet die größte Materialauswahl aller Kunststoffdruckverfahren. Das gewählte Harz korreliert direkt mit … Sie erfüllen die mechanischen und thermodynamischen Anforderungen der Anwendung. Sie eignen sich am besten für Konzeptmodelle, visuelle Prototypen, Gehäuse, Einhausungen und mechanische Teile.

SLS-3D-Druckmaterialien

SLS-Materialien 

SLS verwendet eine Vielzahl von Materialien, darunter Thermoplaste, Nylon, Metallpulver und andere. Stützstrukturen sind nicht erforderlich, da das nicht verschmolzene Pulver das Bauteil während des Druckvorgangs stützt. Es bietet Unübertroffene Gestaltungsflexibilität für komplexe Geometrien. Standardmäßig wird für SLS Nylon 12 verwendet. Es ist schlagfest, robust und beständig gegen Feuchtigkeit, UV-Strahlung und Chemikalien. Es eignet sich hervorragend sowohl für Funktionsprototypen als auch für Serienprodukte.

Nylon 11 ist steifer als Nylon 12, weist aber eine höhere Elastizität auf. Es eignet sich für Anwendungen, bei denen Zähigkeit wichtiger ist als Steifigkeit. Für Anwendungen, die strukturelle Steifigkeit erfordern, sind mit Glas- oder Kohlenstofffasern verstärkte Nylon-Verbundwerkstoffe erhältlich. TPU für SLS ermöglicht die Herstellung flexibler, gummiartiger Bauteile mit ausgezeichneter UV-Beständigkeit und Stoßdämpfung. Die mechanischen Eigenschaften von SLS-Bauteilen sind mit denen von spritzgegossenen Bauteilen vergleichbar. Die Oberflächenbeschaffenheit kann durch Nachbearbeitungsverfahren wie Trommelpolieren und Färben verbessert werden.

Metallisches 3D-Druckmaterial

Metall für den 3D-Druck

Metalldruck wird vorwiegend in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik eingesetzt. DMLS- und SLM-Verfahren verschmelzen das Metallpulver Schicht für Schicht und erzeugen so robuste Bauteile, die mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden nur schwer herzustellen sind.

Gängige Metalle für 3D-Druckoptionen sind:

• Titan wird für leichte, starke und hitzebeständige Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Implantate verwendet.
• Edelstahl wird für korrosionsbeständige, hochfeste Industriebauteile verwendet.
• Leichtbauteile aus Aluminium und Komponenten für das Wärmemanagement
• Nickellegierungen werden in Hochtemperatur-Turbinenkomponenten und -motoren eingesetzt.
• Werkzeugstahl für Matrizen und Formen sowie für hochverschleißfeste Werkzeuge

Metalldruck ist teurer als Kunststoffdruck. Benötigen Sie metallähnliche Eigenschaften zu einem günstigeren Preis, sollten Sie Galvanisierung oder das Gießen von Kunststoffteilen mithilfe von SLA-Modellen in Betracht ziehen.

Wie wählt man die besten 3D-Druckmaterialien aus?

Nachfolgend sind einige grundlegende Schritte zur Auswahl geeigneter 3D-Druckmaterialien aufgeführt. 

Schritt 1: Ermitteln Sie Ihr Leistungsniveau

Schlechte Leistung

• Keine mechanischen Anforderungen, nur visuelle Modelle oder Passformtests
• Geeignete Materialien: PLA-Harze oder gängige SLA-Harze
• Anwendungsbeispiel: Ein Designer druckt ein Modell einer Handyhülle, um Aussehen und Haptik zu überprüfen. Da keine Stabilität erforderlich ist, genügt einfaches SLA-Harz.

Bescheidene Leistung

• Funktionale Prototypen, die sich wie echte Serienteile verhalten müssen
• Geeignete Materialien: ABS, technische SLA-Harze oder SLS-Nylons
• Anwendungsbeispiel: Ein Ingenieur druckt einen Prototyp eines Ventilgehäuses, der unter leichtem Druck getestet wird, um die Passgenauigkeit und die grundlegende Funktion vor Beginn der Massenproduktion zu bestätigen.

High Performance

• Bauteile, die langfristigem Verschleiß, Hitze, chemischer Belastung oder zyklischer Belastung ausgesetzt sind
• Geeignete Materialien: SLS-Nylon-Verbundwerkstoffe oder technische SLA-Harze
• Anwendungsbeispiel: Ein Hersteller druckt eine Halterung für ein Bauteil im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, das Temperaturschwankungen, Vibrationen und gelegentlichem Kontakt mit Motorflüssigkeiten standhalten muss.

Schritt 2: Spezifische Materialeigenschaften anpassen

Sobald Sie Ihr Leistungsniveau ermittelt haben, wählen Sie die für das Bauteil geeigneten Materialien aus.

• Schlagfestigkeit: ABS in FDM oder Nylon, zähe Harze in SLA oder Nylon 11 oder 12.
• Flexibilität: TPU kann mit FDM, SLA oder SLS verwendet werden.
• Hitzebeständigkeit: Hochtemperatur- oder starre SLA-Harze. Nylon 12 für SLS.
• Chemische Beständigkeit: PETG für FDM, starre Kunststoffe für SLA, Nylon für SLS
• Steifigkeit: Starre SLA-Harze, SLS-Nylon-Verbundwerkstoffe, FDM-Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffe

Schritt 3: Prozess-Kompromisse abwägen

Material und Verfahren sind voneinander abhängig. SLA ermöglicht enge Toleranzen, glatte Oberflächen und die Verarbeitung einer breiten Materialpalette. SLS ist das bevorzugte Verfahren, wenn die innere Geometrie wichtiger ist. Nylon ist Ihr Hauptmaterial.

Fehler bei der Materialauswahl 

Wählen Sie zuerst das Material, dann die Anwendung. Die Leistungsanforderungen haben Priorität. Das Material richtet sich nach den Anforderungen an das Bauteil.

• Bei der Konstruktion von FDM-Bauteilen wird die Anisotropie vernachlässigt. Die Schichtlinien im FDM-Verfahren erzeugen richtungsabhängige Schwächen. Vor der Produktion müssen FDM-Bauteile, die Lasten tragen, ausgerichtet werden.
• Fehlberechnung der Betriebstemperatur. PLA erweicht bei Temperaturen, die in Fahrzeuginnenräumen, industriellen Umgebungen und anderen Anwendungen häufig überschritten werden. Überprüfen Sie daher stets die Wärmeformbeständigkeitstemperatur anhand der tatsächlichen Betriebsbedingungen.
• Wenn Gießen ausreichend ist, sollte der Metalldruck gewählt werden. SLA-Feingussmodelle ermöglichen die kostengünstigere und schnellere Herstellung von Metallteilen für viele Anwendungen.

Fazit 

Der wichtigste Aspekt jedes 3D-Druckprojekts ist die Wahl des richtigen Materials. Die Fähigkeit, die Leistungsanforderungen mit den Materialeigenschaften von FDM-Kunststoffen und SLA-Harzen oder SLS-Nylons sowie Metallen in Einklang zu bringen, entscheidet über Erfolg oder Misserfolg der Bauteile im praktischen Einsatz.

Das Team von Boda verfügt über Erfahrung mit allen wichtigen Prozessen und Materialarten. Es hilft Ihnen, die beste Option auszuwählen und durch die Vermeidung teurer Nachdrucke Kosten zu sparen. Kontakt aufnehmen um die Materialauswahl für Ihr nächstes Projekt zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Materialien eignen sich für den 3D-Druck von Funktionsteilen? 

Die wichtigsten Optionen sind SLS-Nylon 12, technische Harze und starre SLA-Harze. Die Wahl richtet sich nach den mechanischen, thermischen und chemischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung.

Worin bestehen die Unterschiede zwischen FDM- und SLA-Kunststoffen? 

FDM-Filamente sind Thermoplaste, die schmelzen und anschließend wieder aushärten. SLA-Harze sind Duroplaste, die unter UV-Licht dauerhaft aushärten. SLA-Teile weisen eine glattere Oberfläche auf und sind isotroper. FDM-Teile können anisotrop sein und sind für einfache Anwendungen kostengünstiger.

Welches Verfahren ermöglicht den besten Vergleich von 3D-Druckmaterialien für funktionale Prototypen? 

Sowohl SLA-Kunststoffe als auch SLS-Nylon ermöglichen die Herstellung funktionaler und stabiler Prototypen. SLS bietet mehr Gestaltungsfreiheit für komplexe Geometrien. SLA hingegen liefert eine höhere Oberflächenqualität und ein breiteres Spektrum an... Materialeigenschaften.

Welches Material eignet sich am besten für die Herstellung von Automobilteilen mittels 3D-Druck?

Für Automobilteile ist SLS-Nylon 12 aufgrund seiner guten Beständigkeit gegenüber Hitze, Vibrationen und mechanischer Belastung eine gängige Wahl. Es wird für Luftkanäle, Clips, Halterungen und Motorraumkomponenten verwendet. Für optische Teile oder Ausstellungsstücke bietet SLA-Harz eine glattere Oberfläche.

Welches 3D-Druckmaterial eignet sich am besten für medizinische Geräte?

SLA-Kunststoffe finden breite Anwendung in der Medizintechnik, da sie glatte und präzise Bauteile erzeugen. Biokompatible Kunststoffe sind für Produkte wie chirurgische Schablonen und Zahnmodelle erhältlich. SLS-Nylon wird aufgrund seiner Festigkeit und Flexibilität auch für Prothesenkomponenten verwendet.