Filament – Was steckt eigentlich dahinter?

Wenn es um FDM 3D-Druck geht, ist die Auswahl des richtigen Filaments eine der wichtigsten Entscheidungen, die du treffen kannst. In diesem Leitfaden gehen wir auf die verschiedene Bereiche ein, um dir einen genaueren Überblick in dieses komplexe Thema zu geben.

Der Begriff Filament wird vom spätlateinischen Filamentum (Fadenwerk) abgeleitet und bezeichnet im Allgemeinen eine einzelne Faser, die von beliebiger Länge sein kann.

Im Allgemeinen hat jedes Material seine speziellen Eigenschaften, die sich auf die Kosten, die Festigkeit, die Flexibilität oder Steifigkeit usw. auswirken. Es ist wichtig, die verschiedenen Typen zu verstehen, bevor du es für dein Projekt auswählst.

Neben den Standard-Materialien PLA, PETG, ABS Filament können aus dem Sortiment hochwertiger Filamentarten auch Spezialmaterialien wie Carbon, Nylon oder PEEK ausgewählt werden. Die großen Hersteller von 3D-Druckern bieten mittlerweile auch hausinterne Filamente an.

Wie wird es hergestellt?

Ein wesentliches Element des Fertigungsprozesses von Filament ist das Strangpressen, bekannt auch als Extrusion. Verwendet wird dafür ein Ausgangswerkstoff, der typischerweise mit thermoplastischen Eigenschaften ausgestattet ist.

Auch thermoplastische Elastomere (TPE) eignen sich als Grundlage. Als Ausgangswerkstoff kommt Granulat zum Einsatz, welches mit Druck unter einer hohen Temperatureinwirkung mit der Unterstützung einer Schnecke aus einer Düsenvorrichtung gepresst wird.

Die Geometrie hängt also direkt von Größe und Bauart der Düse ab.

Der Prozess der Extrusion wird ständig kontrolliert, damit das Endprodukt eine gleichbleibende Qualität hat. Bei einem Strang mit ungleichmäßigem Durchmesser kann es zu erheblichen Druckproblemen kommen.

Auch Verschmutzungen oder Verformungen wirken sich negativ auf das Ergebnis des 3D-Drucks aus.

Wie sieht das Filament aus?

Die Hersteller haben sich auf drei Durchmessergrößen geeinigt: 1,75/ 2,85 und 3,00mm. Die Standardtoleranzen liegen hier bei +/-0.05mm. Hauptsächlich ist das Material in Form von Spulen erhältlich. Für die Spulen selbst gibt es keine festgelegte Normung. Sie können aus Pappe oder Kunststoff bestehen.

Welche Sorten gibt es?

Ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl ist dessen Zusammensetzung. Jede Art hat ihre Vor- und Nachteile. Deshalb muss vor dem Druck immer der Verwendungszweck geklärt sein.

Einige Materialien haben spezifische Eigenschaften wie zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit oder Transparenz. Abhängig vom Grundmaterial kann es dabei ggf. Einschränkungen bei der Farbauswahl geben.

Bei welchen Druckverfahren kommen diese zum Einsatz?

Das wohl bekannteste Extrusions-Druckverfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM-Druckverfahren).

Bei diesen Verfahren wird der Strang in der Druckdüse aufgeschmolzen und nach der Vorgabe der CAD-Daten auf dem Druckbett extrudiert.

Da dieser Name von der Firma rechtlich geschützt wurden ist, haben sich einige andere Namen entwickelt, die aber nachdem gleichen Prinzip arbeiten.

• FFF - Fused Filament Fabrication
• LPD - Layer Plastic Deposition

In welchen Branchen wird es genutzt?

Die Art des 3D-Drucks kommt in verschiedenen Industriebranchen zum Einsatz. Zu den wichtigsten Branchen dabei gehört die Luft- und Raumfahrt. Prototypen können schnell und kostengünstig gedruckt werden – genau diese Vorteile weiß die Luft- und Raumfahrttechnik zu nutzen.

Ebenfalls sehr gefragt sind Produkte im Maschinen- und Anlagenbau. Mittels 3D-Druck lassen sich kleine sowie größere Bauteile wie Spannvorrichtungen genau auf Maß herstellen.

Auch der Werkzeugbau hat die Vorzüge des 3D-Drucks erkannt. Hier ist es möglich, individuelle Formeinsätze herzustellen.

Durch die stetige Entwicklung von neuen Materialien werden auch immer mehr Anwendungsbereiche auf den 3D-Druck aufmerksam und können dessen große Vorteile nutzen.

Eine immer größer werdende Community findet der Filamentdruck derzeit im Hobby-Bereich bei den Privatanwendern.

Nacharbeit

Additive Fertigung mittels Filamentdruck bedeutet aber auch Nacharbeit. Das mechanische Entfernen möglicher Stützstrukturen ist dabei obligatorisch.

Spezielle Materialien, die nur für das Drucken dieser Stützstrukturen vorgesehen sind, werden in der Regel im Wasser oder mit speziellen Flüssigkeiten entfernt.

Hier findest du einen speziellen Beitrag über die Nachbearbeitung von Filamentdrucken.

Veredelung

Die Veredelung unterscheidet sich je nach verwendetem Druckmaterial.

Mögliche Oberflächenbehandlungen :

• Vapor Smoothing
• Epoxid Beschichtung
• Polieren
• Einfärben
• Lackieren
• Metall überziehen (galvanisieren)
• Strahlen

Worauf solltest Du beim Kauf achten?

Einige der großen 3D-Druckermarken setzen auf geschlossene Systeme. Bei diesen 3D-Druckern sollte nur mit den herstellereigenen Filamenten gearbeitet werden, da es sonst zu Qualitätsproblemen kommen kann. 

Bei vielen Druckern ist es dagegen möglich, verschiedene einzusetzen. Oft geben die Druckerhersteller nur Empfehlungen ab, sodass eine größere Auswahl möglich ist.

Filament für den 3D-Drucker wird beim Einkauf nach Gewicht bezahlt. Für erste Tests lohnt es sich deshalb, Samples bei den Lieferanten zu bestellen. Diese kleinen Packungen enthalten mehrere Filamentsorten, mit denen experimentiert werden kann. Anschließend kann man sich an die größeren, preisintensiveren Filamentrollen heranwagen.

Was kosten Filamente?

Im Vergleich zu anderen Druckmaterialien sind Filamente verhältnismäßig günstig zu erwerben. Die einfache Herstellung und eine hohe Anzahl an Lieferanten halten die Materialkosten bei einem FDM-Druck gering.

Standard-Materialien wie PLA, ABS, ASA, PETG sind schon für 20€ - 60€ pro Kilo zu erwerben. Große Preisunterschiede zwischen diesen Materialien sind nicht zu erkennen.

Teurer wird es, wenn das Material mit speziellen Zusätzen ausgestattet worden ist, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten wie antibakteriell, leitfähig, etc.

Filamente, die generell spezielle Eigenschaften aufweisen oder den Konstruktionskunststoffen zuzuordnen sind, werden zwischen 35€-160€ pro kg gehandelt. Auch diese können mit Zusatzstoffen für bestimmte Anwendungen modifiziert werden, was eventuell ebenfalls eine Änderung der Preisspanne zu Folge hat.

• TPU ca. 35€ - 100€
• PVA ca. 50€ - 130€
• PA ca. 50€ - 160€
• Carbon ca. 50€ - 120€

Hochleistungskunststoffe wie zum Beispiel Peek sind im oberen Preissektor der Materialkosten zu finden. Die Kosten für ein Kilogramm liegen hier bei 240€ bis 1100€.

• PEEK ca. 700€ - 1100€
• Ultem ca. 240€ - 700€
  

Wie gut ist billiges Filament?

Billiges Filament sollte wenigstens die Mindestanforderungen erfüllen. Weichmacher und andere Additive können schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit haben. Zudem kann es passieren, dass sich minderwertiges Filament sehr schlecht verarbeiten lässt.

Einsteigern empfehle ich deshalb hochwertiges Filament von einem seriösen Hersteller.

Lässt sich Filament recyceln?

Zurzeit ist Recycling ist nur bei sortenreinem Kunststoff möglich und das auch nur bedingt.

Dies geschieht über die bekannten Verfahren wie Pressen, Extrudieren und Spritzgießen. Mittlerweile gibt es mehrere Projekte, die sich mit dem Recycling und der eigenen Herstellung befassen.

Je nachdem wieviel man druckt und möglichen Ausschuss produziert, lohnt es sich eventuell für den Privatanwender Fehldrucke und die Filament Reste zu recyclen.

Die Idee, mit Fehldrucken eigenes Druckmaterial herzustellen, ist nicht neu. Diese Konzepte sind schon auf dem Markt.

3D-Druck Materialien die das Leben verändern...

Ich habe versucht, das Wissen über die einzelnen Materialtypen so gut wie möglich zu bündeln.

Es stammt aus unterschiedlichen Quellen, die für jedermann frei zugänglich sind. Für die Richtigkeit der gesammelten Informationen zum jeweiligen Material gebe ich keine Garantie, da sich je nach Hersteller, Zusammensetzung und anderen Einflüssen immer Abweichungen ergeben können.

Dennoch möchte ich sie gern mit der Community teilen.

Über Fragen, Anregungen oder Verbesserungsvorschläge über das Kontaktformular, würde ich mich sehr freuen.

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