Filament

Der Begriff Filament stammt aus dem Lateinischen und bedeutet Fadenwerk. Man verwendet ihn zur Bezeichnung des fadenartig geformten Materials, das auf Spulen gewickelt und für den 3D-Druck genutzt wird. 3D-Filamente bestehen aus thermoplastischen Kunststoffen wie PLA und ABS. Sie kommen im sogenannten FDM-Verfahren zum Einsatz. FDM ist die Abkürzung für die 3D-Drucktechnik Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtverfahren). 3D-Filamente werden als reine Kunststoffe oder als Material-Mix gefertigt und sind in diversen Farben erhältlich. Sie unterscheiden sich in Bezug auf ihre thermischen und mechanisch-physikalischen Eigenschaften.

Filamente werden passend zum jeweiligen 3D-Drucker-Extruder mit Durchmessern von 1,75 mm und 3 mm (2,85 mm) verkauft. Private Anwender stellen sich ihre 3D-Filamente oft selbst her. Das ist kostengünstiger und bietet die Möglichkeit, sogar größere und voluminösere Objekte zu fertigen. Manche der dafür benötigten Filament-Extruder sind lediglich für die Produktion von ABS-Filament, andere nur für PLA-Filament geeignet. Außerdem gibt es noch Modelle, mit denen man beide Kunststoffe zu Filament verarbeiten kann.

Qualitativ hochwertiges Filament hat eine geringe Durchmessertoleranz. Denn nur ein gleich bleibender Querschnitt sorgt für einen gleichmäßigen Materialfluss durch die Düse und damit für ein gutes Druckergebnis. 1,75 mm Filament hat idealerweise eine Toleranz von +/- 0,1 mm. Bei Filament mit einem Querschnitt von 3 mm sollte die Abweichung höchstens +/- 0,5 mm betragen. Welche Drucktemperatur für welches Filament die am besten Geeignete ist, hängt vom Durchmesser der Druckerdüse und vom jeweiligen Filament ab. Höhere Druckgeschwindigkeiten erfordern zugleich höhere Düsentemperaturen. 3D-Drucker mit einem beheizten Druckbett haben den Vorteil, dass bei ihnen die untersten Druckschichten besser auf der Unterlage haften. Um eine Verformung des Druckerzeugnisses zu verhindern, muss die Heizbetttemperatur stets unter der Erweichungstemperatur des verwendeten Filaments liegen.

Drucken von 3D-Filament

Filament wird entsprechend dem digitalen 3D-Modell und mithilfe der FDM-Technologie gedruckt. Der 3D-Drucker-Extruder zieht das auf der Spule befindliche Filament in das Hotend. Dort wird es auf die erforderliche Temperatur erhitzt. Der durch die beheizte Druckerdüse gepresste verflüssigte Kunststoff wird dann entsprechend den Schichten des 3D-Modells gedruckt. Er tropft auf die beheizte Unterlage (Druckbett) und stellt das Objekt schichtenweise her. Jede Schicht muss einzeln abkühlen und härtet dabei aus. Dann kann die nächste Lage Flüssigkunststoff aufgetragen werden. Die einzelnen Schichten sind zwischen 0,05 und 0,5 mm hoch.

Filament-Arten

ABS und PLA sind wegen ihrer flexiblen Einsatzmöglichkeiten die beim 3D-Druck am häufigsten verwendeten Filamente. Darüber hinaus gibt es noch weitere geeignete Werkstoffe und spezielle Filamente, die für besondere Anwendungen produziert werden. Dazu zählen beispielsweise holzverstärkte und elektrisch leitende Filamente.

ABS-Filament setzt sich aus den Polymeren Acrylnitril, Butadien und Styrol zusammen. Es hat ein geringeres Gewicht und eine höhere Festigkeit als PLA-Filament. Daher lässt es sich auch mittels Fräsen, Bohren, Schleifen, Sägen, Kleben, Bemalen und Lackieren gut bearbeiten. ABS-Filament ist...

• stoß-, schlag- und kratzfest
• formstabil bis 95 °C
• witterungsbeständig
• langlebiger als PLA-Filament
• gegen Fette und Öle widerstandsfähig
• normal entflammbar und
• lässt sich mit Aceton glätten
• setzt beim Druckvorgang unangenehmen Geruch frei, den man nicht einatmen sollte
• wird unter länger anhaltendem Lichteinfluss schnell spröde und bleicht aus

Beim Abkühlen kann sich ABS-Filament verformen: Seine Ecken heben sich dann vom Druckbett ab und verziehen sich. Um diese unerwünschte Veränderung zu vermeiden, druckt man es am besten auf einem beheizten Druckbett. Der Werkstoff wird bei Düsentemperaturen zwischen 215 und 250 °C und Druckbetttemperaturen von 100 bis 125 °C verarbeitet. ABS-Filament gibt es in den Varianten elektrisch nicht leitend und leitend.

Filament aus PLA (Polyactiden) lässt sich im Unterschied zu ABS-Filament sogar von Anfängern im 3D-Druck problemlos anwenden. Es besteht aus zu synthetischem Polymer verarbeiteter Maisstärke, das mit Additiven versetzt ist. Diese Zusatzstoffe geben dem Filament die gewünschten Eigenschaften. Da es nicht unbedingt erhitzt werden muss, kann man PLA-Filament sogar bei Druckern ohne Heizbett einsetzen. Ansonsten sollte man eine Düsentemperatur zwischen 180 und 210 °C und eine Heizbetttemperatur von 50 bis 70 °C einstellen. PLA

• ist lebensmittelecht
• entwickelt beim Drucken keinen störenden Plastikgeruch
• hat eine geringere Festigkeit als ABS-Filament und sollte daher nur mit Vorsicht gebohrt und gefräst werden
• lässt sich ohne Probleme schleifen, kleben und bemalen
• ist beständig gegen UV-Licht
• bindet nur wenig Feuchtigkeit und lässt sich daher unproblematisch lagern
• ist schwer entflammbar
• ist bis 65 °C formbeständig
• lässt sich sogar auf einfachen 3D-Druckern verarbeiten
• ist witterungsbeständig
• kann in speziellen industriellen Kompostieranlagen biologisch abgebaut werden
• sollte während des Drucks rundum gekühlt werden, damit die zuvor hergestellte Schicht nicht von der nachfolgenden verschmiert wird

Das innovative Biopolymer BioFila ist industriell kompostierbar, lebensmittelecht und lässt sich gut drucken und nachbearbeiten. BioFila-Filament lässt sich auch auf privaten 3D-Druckern verwenden. Thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist resistent gegen diverse Chemikalien. Zum 3D-Drucken verwendet man üblicherweise TPU-Filament größerer Härte. PP (Polypropylen)-Filament hat eine hohe Lebensdauer, Zähigkeit und Bruchfestigkeit. Es ist gegen hohe Temperaturen und Chemikalien widerstandsfähig und hat einen hohen elektrischen Widerstand.

Der Begriff Spezialfilament bezeichnet verschiedene Arten von 3D-Filamenten, bei denen das Ausgangsmaterial mit einem bestimmten Zusatz vermischt wird. Dieser verleiht ihm die für die jeweilige Nutzung erforderlichen Eigenschaften. Holz-Filament riecht wie Naturholz und hat eine holzähnliche Oberflächenstruktur. Steinmehl aus Sandstein lässt 3D-gedruckte Skulpturen wie echte Steinfiguren aussehen. Metallpulver verleiht dem Objekt nach dem Sintern eine edle metallische Optik. Andere Zusätze verändern die Eigenschaften des Filaments: Beigemischtes Nylon (Polyamid) macht die zu druckenden Objekte fester. Phosphoreszierende Partikel lassen die gedruckten Gegenstände im Dunkeln leuchten. Zur Herstellung extrem schlagfester Werkstücke setzt man mit Carbonfasern angereichertes Filament ein. Polyhydroxyfettsäure (PHA) wird oft PLA beigemengt. PHA-PLA-Filament ist UV-beständiger als reines PLA-Filament. BioFila-PLA-Filament hat eine höhere Hitzebeständigkeit als hundertprozentiges PLA.

Support-Filament nennt man Filamente, die als Stützkonstruktion für stark überstehende Objektteile dienen. Sie werden zusammen mit dem normalen Filament ausgedruckt und bestehen aus wasserlöslichen Materialien, die nach Fertigstellen des Werkstücks einfach abgewaschen werden. Bei hohlen Druckobjekten füllen sie die Hohlräume kurzzeitig aus.

Wo und wofür verwendet man 3D-Filament?

3D-Filament wird in der Industrie, Architektur, in der Kunst (Design), in chemischen, physikalischen und biotechnologischen Laboren und im privaten Modellbau zum Druck verschiedenster Gegenstände eingesetzt. Produzierende Industrieunternehmen fertigen mit den vielseitig nutzbaren Filamenten 3D-Prototypen und sogar ganze Serien. PLA-Filament wird zur Herstellung von Sportbekleidung, Transportbehältern, Lebensmittelverpackungen, Spielzeug, Möbeln, Büroartikeln, elektronischen Bedienelementen, medizintechnischen Gerätschaften und Gehäuseteilen genutzt. Wegen seiner geringen Dichte ist es bei Modellbauern sehr beliebt. PP-Filament kommt in der Industrie zur Produktion von belastbaren Prototypen, abschirmenden Gehäusen für elektronische Komponenten und Scharnieren zum Einsatz. Das wohl bekannteste Erzeugnis aus ABS-Filament sind Legosteine. Außerdem verwendet man es zur Fertigung von Handygehäusen, Karosserieteilen, Sicherheitshelmen, Küchengeräten, Transportbehältern, Spielzeug und elektronischen Bedienelementen.

Vor- und Nachteile von 3D-Filament

Vorteile

• Kostengünstig in der Anschaffung
• In diversen Farben erhältlich
• Kann recycelt werden, wenn es aus sortenreinem Kunststoff besteht
• Ist wegen seiner unterschiedlichen Materialien für viele Einsatzzwecke geeignet
• Lässt sich mit einem speziellen 3D-Bauteil sogar selbst herstellen

Nachteile

• Muss beim Druck permanent überwacht werden muss
• Es darf nicht zu eng auf die Spule gewickelt werden, da es sonst bricht
• Loses Filament sollte möglichst direkt zum Extruder geführt werden
• Die einzelnen Schichten ohne Nachbehandlung durch Lackieren und Bemalen erkennbar
• Manche Werkstoffe eigen sich nicht für private Anwendungen

3D-Filament Hersteller

Zu den bekanntesten Herstellern von 3D-Filament gehören...

• ColorFabb
• 3Dfactories
• Formfutura
• Das Filament
• hiendl
• Multec
• Plastic2Print
• Nunus Filamente
• Orbi-Tech

Neueste Entwicklungen im Bereich 3D-Filament

Derzeit entwickeln das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT) und das Karlsruher Institut für Technologie KIT ein 3D-Filament mit Kohlenstofffasern, das zu 100 % aus recycelten Materialien besteht. Das Verbundprojekt mit dem Namen Recycl3D verwendet dafür aufbereitete Carbonfasern aus verschrotteten Fahrzeug- und Flugzeugteilen. Die Matrix des serientauglichen Filaments besteht aus Reststoffen von ABS-Spritzgusskomponenten. Die vier am Projekt beteiligten Industrieunternehmen testen es auf seine Anwendbarkeit in ihrer Branche.

Im Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) arbeiten Wissenschaftler aktuell an hochgradig mit Metallpulver befüllten Kunststofffilamenten. Das Verbundprojekt heißt AMCC-Line. Das gedruckte Filament wird anschließend mithilfe einer speziellen Wärmebehandlung zu einem aus reinem Metall bestehenden Werkstück gesintert. Der 3D-Druck mit nachfolgendem Sintern erlaubt die Herstellung komplexer Bauformen und eignet sich sogar für Kleinserien und Spezialbauteile.

Die Arbeitsgruppe Biobasierte Biologische Werkstoffe an der Hochschule Bremen entwickelte vor Kurzem einen für den 3D-Druck geeigneten und mit Baumwolle hergestellten Kunststoff. Die Baumwollfasern wurden aus entsorgten Textilien gewonnen. Das neuartige Filament wird im Mikro-Spritzgussverfahren gefertigt. Die in ihm enthaltenen 40 Prozent Baumwolle machen das Druckobjekt bruchsicherer und härter.

Literatur zum Thema

• Di, Jia, Einführung in Fused Deposition Modeling und die Untersuchung der Einflüsse von Schichthöhe und Düsengeschwindigkeit auf die Festigkeit, Bachelorarbeit am Lehrstuhl für Kunststoffverarbeitung der Montanuniversität Leoben (Österreich)
• Baltaci, Erdem, 3D-Druck in der flexiblen Produktion: Anforderungen, Chancen und Herausforderungen, Bachelorarbeit an der Wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät der Leibniz Universität Hannover
• Gebhardt, Andreas, Rapid Prototyping - Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung, München 2002
• Fastermann, Petra, 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt, Berlin/Heidelberg 2012