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3D-Druckmaterialien
Ein 3D-Drucker ohne Material ist wie ein Auto ohne Benzin oder Batterien: Er kommt nicht voran. Oder anders formuliert, das eine kann nicht ohne das andere. Da sich die additive Fertigung für so viele unterschiedliche Anwendungen einsetzen lässt, ist es nicht verwunderlich, dass der Stellenwert und die Verfügbarkeit neuer 3D-Druckmaterialien in den letzten Jahren deutlich zugenommen haben.
Zwar ist die Anzahl der Materialien, die für den 3D-Druck verfügbar sind, im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren noch recht überschaubar, doch ihre Zahl steigt beinahe täglich – von verschiedenen Kunststoffen und Metallen über Sand und Keramik bis hin zu Beton. Das Zusammenspiel zwischen 3D-Drucker und Material ist entscheidend, sowohl für die Zukunft des 3D-Drucks als auch für die Qualität und Zuverlässigkeit der produzierten Bauteile. Welche Druckmaterialien gibt es bereits und wohin wird die Reise noch gehen? Hier geben wir Ihnen eine Übersicht über die klassischen Materialien für den 3D-Druck inklusive einiger exotischer Ansätze.
Inhaltsverzeichnis
- Welches Material kommt beim 3D-Druck zum Einsatz?
- Kunststoffe für den 3D-Druck
- Die gängigsten Kunststoffmaterialien für den 3D-Druck
- Metalle für den 3D-Druck
- Sonstige Materialien für den 3D-Druck
- Welche Materialien werden in Zukunft für den 3D-Druck in Frage kommen?
- Welche außergewöhnlichen Materialien gibt es für den 3D-Druck?
Welches Material kommt beim 3D-Druck zum Einsatz?
Welches Material sich mit welchem 3D-Drucker verarbeiten lässt, ist eng mit der jeweiligen Anwendung verknüpft. Muss ein Bauteil mechanischen Belastungen standhalten, eignet sich Metall. Geht es um Gewichtseinsparungen, sind Kunststoffe geeignet. Beim Hausbau ist üblicherweise Beton das Mittel der Wahl. Indirekte 3D-Druckverfahren, bspw. für den Metallguss, arbeiten mit Materialien wie Sand, Keramik und Kunststoff. Genauso unterschiedlich wie die Anwendungen von 3D-Druckmaterialien sind auch ihre Erscheinungsformen in Abhängigkeit von der Verarbeitungstechnologie. Manche 3D-Drucker verarbeiten Pulver, andere Filamente, wieder andere benötigen flüssige Materialien. Aber eins nach dem anderen. Schauen wir uns zunächst die für den 3D-Druck verwendeten Materialien genauer an.
Kunststoffe für den 3D-Druck
Den Löwenanteil der meistgenutzten 3D-Druckmaterialien beanspruchen die Kunststoffe. Laut Wohlers Associates, einer der führenden Beratungsfirmen für die additive Fertigung, machen Kunststoffe rund 53 % aller für den 3D-Druck verfügbaren Materialien aus (vgl. Wohlers Report 2022). Darin enthalten sind zum einen die Polymere, die pulverförmig oder als Filament verarbeitet werden, und zum anderen die flüssigen Photopolymere. Kunststoffe zählen zu den ältesten und am besten entwickelten Materialien für den 3D-Druck.
Die ersten additiven Fertigungstechnologien, das Selektive Lasersintering, die Stereolithographie und das Fused Deposition Modeling, gehören zu den Gründungstechnologien und arbeiteten alle kunststoffbasiert. Erst später folgten 3D-Drucker für neue Materialien wie Metall oder Keramik. Entsprechend finden sich auf dem Markt schon heute viele unterschiedliche Polymermaterialien – mit steigender Tendenz. 2017 gab es rund 500 Kunststoffe für additive Fertigungsverfahren. Bis 2021 hat sich die Zahl mit über 1.500 kunststoffbasierten 3D-Druckmaterialien verdreifacht (vgl. Wohlers Report 2022). Ein paar ausgewählte Materialien, die sich auch mit dem voxeljet High-Speed-Sintering- Verfahren verarbeiten lassen, möchten wir im Detail beleuchten.
Die gängigsten Kunststoffmaterialien für den 3D-Druck
PA12
Polyamid 12, auch Nylon genannt, ist das Standard-Material der additiven Fertigung. Es ist mit so gut wie jeder 3D-Drucktechnologie kompatibel und zeichnet sich durch hohe Reproduzierbarkeit und Maßhaltigkeit aus.
PP
Polypropylen ist einer der am meisten verarbeiteten Kunststoffe der Welt. Mit Eigenschaften wie einer hohen dynamischen Belastbarkeit und chemischen Beständigkeit findet PP in den unterschiedlichsten Industrien.
TPU
Thermoplastisches Polyurethan ist ein Elastomer, mit dem sich flexible Teile fertigen lassen. Als 3D-Druckmaterial wird TPU insbesondere in der Produktion von Schuhsolen, Polstern, Dichtungen oder Dämpfungsmitteln eingesetzt.
PEBA
Polyetherblockamid ist ein thermoplastisches Elastomer für die additive Fertigung von flexiblen Teilen. Dank seiner Dauerbelastungsbeständigkeit erfreut sich auch PEBA in der Schuhindustrie hoher Beliebtheit.
Customer Story: Frauenhofer IPA
In diesem Webinar werden wir gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA durch das HSS-Materialnetzwerk und seine Expertise bei der Entwicklung neuer Materialien für HSS führen.
Metalle für den 3D-Druck
Den zweiten Platz der 3D-Druckmaterialien belegen die Metalle. Rund 36 % aller verfügbaren und additiv verarbeitbaren Materialien sind metallischen Ursprungs. Von Aluminium, Kobalt und Kupfer über verschiedene Stahllegierungen bis hin zu Titan. Die etabliertesten additiven Fertigungsverfahren für Metalle sind das Selektive Laserschmelzen und das Binder Jetting. Durch diese Technologien können sehr komplexe Bauteile mit einer Dichte von bis zu 99 % erreicht werden. Als 3D-Druckmaterial gewinnt Metall immer mehr Marktanteile und wird auch als eines der zukunftsfähigsten Materialien für die additive Fertigung gehandelt. Besonders in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt wird der Metall-3D-Druck breit eingesetzt.
Sonstige Materialien für den 3D-Druck
Mit insgesamt 89 % nehmen also die Kunststoffe und Metalle den Großteil der verwendeten Materialien für den 3D-Druck ein. Doch es gibt darüber hinaus noch viele weitere Druckmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungen. Auf drei dieser Materialien, die sich auch mit der voxeljet Binder-Jetting-Technologie verarbeiten lassen, möchten wir an dieser Stelle kurz eingehen.
Sand
Sand wird insbesondere für die additive Fertigung von Formen und Modellen für die Metallgussindustrie eingesetzt. Es lassen sich damit aber auch Schalungselemente für den Betonguss oder Werkzeuge für das Laminieren oder Tiefziehen 3D-drucken.
Keramik
Ähnlich wie Sand können auch verschiedene Hochleistungs-Keramiken mit additiven Fertigungstechnologien verarbeitet werden. Auch bei uns wird dieses Materialset eingesetzt. Bspw. für den 3D-Druck von Kernen für den Feinguss, Katalysatoren, Designelementen oder bioaktiven Keramikstrukturen.
Beton
Beton als Material für den 3D-Druck schlägt in jüngster Zeit insbesondere in der Architektur hohe Wellen. So lassen sich damit bspw. ganze Häuser an einem Stück in 3D drucken. Zwar verdrucken wir selber kein Beton als 3D-Druckmaterial, bieten aber den 3D-Druck von Schalungen für den Betonguss an.
Welche Materialien werden in Zukunft für den 3D-Druck in Frage kommen?
Das Potenzial von 3D-Druckmaterialien ist noch lange nicht ausgeschöpft. Beinahe täglich kommen neue Materialien für verschiedene 3D-Drucktechnologien auf den Markt. Darunter neue Kunststoffe, Metalle und Speziallegierungen. Eine große Hürde für die Qualifizierung neuer Materialien sind die Limitationen der einzelnen Technologien. So brauchen manche Kunststoffe und Metalle, um einen Schichtverbund eingehen zu können, sehr hohe Temperaturen, die von den Maschinen noch nicht erreicht werden können.
Eine Form von Materialien für den 3D-Druck, die in Zukunft immer weiter an Bedeutung gewinnen werden, sind die Verbundwerkstoffe. Damit ist ein Werkstoff gemeint, der eigentlich aus zwei Materialien besteht. Zum Teil werden Verbundwerkstoffe schon heute mit 3D-Drucktechnologien verarbeitet. So gibt es für das FDM-Verfahren bspw. carbonfaserverstärkte Kunststofffilamente. Der große Vorteil dieser 3D-Druckmaterialien: Mit ihnen lassen sich sehr leichte, aber gleichzeitig stabile und feste Bauteile fertigen. Sie eignen sich daher, insbesondere für die Topologieoptimierung von Bauteilen.
Welche außergewöhnlichen Materialien gibt es für den 3D-Druck?
Je nach Technologie und Anwendung lassen sich die unterschiedlichsten weiteren Materialien in 3D drucken. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang immer die Anwendung. Sogar Glas, Schokolade oder Holz können verdruckt werden, aber die Märkte für diese 3D-Druckmaterialien sind verhältnismäßig klein. Das macht die Vielfalt und die Druckmöglichkeiten solcher Exoten aber natürlich nicht weniger beeindruckend.
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