Materialien für 3D-Druck-Verfahren

Es gibt mittlerweile eine ganze Bandbreite an Materialien für die verschiedenen 3D-Druckverfahren und Drucker. Auf was genau bei der Auswahl geachtet werden sollte und wie welche Materialeigenschaften eingeschätzt werden sollten, erfahrt Ihr hier in einer etwas ausführlicheren Beschreibung.

Im ersten Materialbeispiel werde ich einzelne Eigenschaften und Interpretationen detaillierter darstellen, um ein Verständnis für die Werkstoffe zu vermitteln. Bei den folgenden Beispielen werde ich mich kürzer halten.

Das Ausgefuchste an der Materialauswahl ist, dass man sich der Randbedingungen der eigenen Konstruktion bewusst sein muss. Ich kann eine Tischplatte aus Keksteig bauen, dann muss diese halt ein bisschen dicker sein und gut gebacken, damit sie bei der ersten Kaffeekanne nicht gleich bricht. Ich kann sie auch aus Glas fertigen, dann kann sie etwas dünner werden und ist evtl. schicker (ganz zu Schweigen von der Langlebigkeit). Auf diesem Tisch kann allerdings nicht getanzt werden… Dann vielleicht doch Holz, Stein oder Stahl?! Bei Objekten ist allerdings nicht nur die mechanische Belastung (Gewicht, Schwingungen, …) zu beachten, sondern auch Eigenschaften, wie die Entflammbarkeit: ein Kerzenständer aus Holz oder Magnesium (das klebt an Wunderkerzen) hat offensichtlich einen Nachteil. Ich denke das Prinzip ist klar geworden, nun zu den Materialien des 3D Druckes:

Entsprechend der Fertigungsverfahren gibt es verschiedene Materialien zur Auswahl.

Laser-Sintern:

Beim Sintern wird ein schichtweise aufgetragenes Pulver durch einen Laser auf einer bestimmten Bahn erhitzt, sodass das Material an diesen Stellen schmilzt und sich verbindet. Hier gilt: je feiner das Pulver und die Bündelung des Lasers, umso feiner können die Strukturen ausgebildet werden. Es sind einige Werkstofftypen möglich:

Kunststoffe

  • PA 12 mit Aluminiumstaub (Alumide)

Alumide besteht aus Polyamide 12 angereichert mit Aluminiumstaub (erhältlich bei shapeways). Auch wenn Name und Aussehen zunächst auf Aluminium schließen lassen, ist Alumide ein Kunststoff. Der Aluminiumstaub hat einen rein optischen Einfluss auf den Werkstoff, durch diesen wirkt der 3D Druck hochwertiger und metallischer. Eine Nach- und/oder Weiterverarbeitung durch schleifen, polieren, beschichten oder fräsen, drehen und bohren ist möglich.

Bei der Konstruktion für 3D Druck mit Alumide ist zu beachten, dass eine minimale Wanddicke von 0,8mm empfehlenswert ist und es sind keine geschlossenen Hohlkörper möglich! Das eingeschlossene, nicht durch den Laser aufgeschmolzene Pulver muss irgendwie entweichen können, also ein Loch lassen, oder bei großen Objekten mehrere.

Das Rohmaterial hat eine durchschnittliche Korngröße von 0,06mm. Bedingt durch die Korngröße und den Laser, entsteht die empfohlene Mindestwanddicke. Die Dichte des bearbeiteten Materials beträgt 1,36g/cm³ bei dem Laserverfahren nach EOS, hiermit lässt sich zusammen mit dem Volumen des Objektes (wird bei den meisten 3D CAD Programmen automatisiert bestimmt) das Gewicht bestimmen. Gerade bei 3D Drucken, die man mit/an sich rumtragen möchte, ist dies sehr interessant (Kettenanhänger, Ohrringe, Schlüsselanhänger, …). Das Kippmoment eines Objektes erfordert, neben dem Schwerpunkt, auch das Gewicht, um die resultierende Kraft des Eigengewichtes zu bestimmen. Kippen soll ein Objekt, das hingestellt werden kann/soll, schließlich auch nicht.

3D Drucke wurden ursprünglich zwar als Prototypen vorgesehen, allerdings ist es naheliegend, bei Einsatzmöglichkeit, auch Objekte tatsächlich anzuwenden. Sollten diese in irgendeiner Weise belastet werden, kann ein einfacher Festigkeitsnachweis helfen, um zu überprüfen, ob das Objekt beschädigt oder sogar zerstört wird. Die Werkstoffkennwerte machen einen großen Teil dieser Berechnung aus. Je nach Beanspruchung werden unterschiedliche Kennwerte zur Berechnung hinzugezogen.

Alumide weist eine Zugfestigkeit Rm von 48N/mm² (bei allgemeinem Baustahl S235JR liegt diese bei etwa 360N/mm²) auf, d.h. wenn an einem Stab mit einem Querschnitt von 1mm² eine Last ab ca. m = F/a = (48/9,81) kg = 4893g gehängt wird, wird der Stab zerstört. Andersherum: ist die Last geringer, hält der Stab, kann allerdings elastisch oder plastisch verformt werden! Wird der Querschnitt des Stabes erhöht, ist die Belastbarkeit proportional höher.

Achtung! Sind Kerben o.ä. Schwachstellen am Stab, kann dieser eher brechen! Es ist also nur ein sehr stark vereinfachtes Modell! Auch wird hier dabei ausgegangen, dass die Belastung langsam auftritt und nicht ruckartig stattfindet, da dann die Gewichtskraft sehr viel höher wäre.

Bricht es unter Zugbelastung nicht, ist auch kein Versagen unter Biegung oder Druck zu erwarten. Bei einer dynamischen Belastung (Schwingungen) sieht das Ganze natürlich ganz anders aus.

Die Dehngrenze des Stabes liegt bei 4%, also hat sich der Stab zum Zeitpunkt des Bruches um 4% seiner ursprünglichen Länge verlängert. Vorsicht, auch wenn der Stab nicht bricht: bei Dehnung oder Stauchung des Materials verändern sich die Materialeigenschaften! Es entstehen neue Schwachstellen, wie eine Verjüngung des belasteten Querschnittes.

Die Erweichungstemperatur von Alumide liegt bei 169°C und die Schmelztemperatur bei 172-180°C. Ein Duftölhalter für Kerzen sollte mit diesem Werkstoff also lieber nicht hergestellt werden, da oberhalb einer Kerzenflamme Temperaturen von ca. 1000°C herrschen können. Eine Zündtemperatur oberhalb 350°C, die hier vorliegt, sollte auch bei der Konstruktion eines Kerzenständers beachtet werden, denn eine Entflammbarkeit des Materials ist immer gefährlich.

Bei einem Oberflächenwiderstand von 3 x 10^12 ohm sind keine Gedanken an einen Schutzleiter zu verschwenden, der Werkstoff ist stark isolierend und kann bedenkenlos als Gehäuse elektrischer Geräte verwendet werden. Ein Körperschluss (Stromschlag am Gehäuse) wird hier nicht stattfinden.

Ich selbst habe Alumide an einem Schlüsselanhänger ausprobiert und trotz fallenlassen des Schlüsselbundes oder Einklemmen des Anhängers zwischen den Schlüsseln, sieht er immernoch einwandfrei aus:

Schlüsselanhänger 1

  • Polyamide 12 (PA 2200)

Polyamide 12 hat eine durchschnittliche Korngröße von 0,056mm. Die empfohlene Mindestwanddicke ist 0,7mm.

Die Dichte des gedruckten Materials beträgt 0,93g/cm³. Ein gleich großes Objekt ist also schon leichter im Vergleich zu Alumide bei gleicher Zugfestigkeit von 48N/mm². Die Dehngrenze ist bei diesem Werkstoff allerdings wesentlich größer: 24%. Etwas amüsant ist, dass das Material bei shapeways unter „Strong and Flexible“ verkauft wird, die Biegefestigkeit hier aber geringer ist, als bei Alumide (PA 2200: 58N/mm², Alumide: 72N/mm²). Näher auf die Biegefestigkeit möchte ich allerdings nicht eingehen, das würde zu komplex werden, beachtet einfach: Wenn die Zugfestigkeit ausreicht, wirds schon halten. Der Schmelzpunkt liegt auch hier bei 172-180°C und der Entzündungstemperatur bei 350°C.

Ich habe den Werkstoff „Strong and Flexible“ an einem Kerzenständer ausprobiert – und bisher steht nur die Kerze in Flammen ;) Trotzdem sollte man damit natürlich vorsichtig sein, und Kerzen generell nicht unbeaufsichtigt brennen lassen:

Kerzenständer klein 4

Keramik

Der keramische Werkstoff „Glazed Ceramics“ ist der einzige bei shapeways , der auch lebensmittelecht ist, also sind Geschirr, Besteck, … herstellbar. Die minimale Wanddicke liegt zwischen 3mm und 6mm und ist abhängig von der Gesamtgröße des Bauteils. Es gilt: je größer das Bauteil, umso größer die Mindestwanddicke, damit das Eigengewicht getragen werden kann. In den Werkstoffdatenblättern lassen sich leider nicht viele Informationen finden, aber generell kann aus Keramik geschlossen werden: Dieser Werkstoff ist spröde und bricht bei Erschütterung (fallen lassen) oder Schwingungen, es sind kaum elastische Verformungen möglich und plastische Verformung heißt hier: Bruch. Viele keramische Werkstoffe sind auch temperaturwechselempfindlich, also das Bauteil nicht unbedingt schnell abwechselnd unter kochendes und eiskaltes Wasser halten, die Spannungen im Material können für Risse oder Brüche sorgen. Das beste Beispiel hierfür sind Keramikmesser im Vergleich zu Stahlmesser: lässt man ein Stahlmesser fallen, macht es kurz *pling* die Klinge schwingt und das Messer bleibt heile. Bei einem Keramikmesser zerspringt die Klinge. Auf der anderen Seite ist Keramik sehr hart, d.h. die Schärfe der Klinge lässt auch nach langem Gebrauch nicht nach, dies ist bei Stahl anders.

Durch die hohe Hitzebeständigkeit des Materials, ist Keramik auch wunderbar für Kerzenständer, Duftölhalter für Kerzen, o.Ä. geeignet.

Metalle

  • Sterling Silver

Das Sterling Silber sollte mit einer Mindestwanddicke von 0,6mm konstruiert werden. Mit einer Dichte von etwa 104g/cm³ ist das Gewicht eines Silberobjektes der gleichen Größe erheblich höher, als das eines Kunststoffobjektes. Auch die Zugfestigkeit ist mit 207N/mm² erheblich höher. Trotz der hohen Zugfestigkeit ist Sterling Silber eher für Kleinteile und Schmuck geeignet. Silber ist als Metall sowohl elektrisch, als auch thermisch leitfähig. Bei Gehäusen elektrischer Geräte sollte also über eine Erdung über ein PE nachgedacht werden und bei thermisch beanspruchten Gegenständen, wie Kerzenhalter, dass dieser unangenehm warm werden lann.

  • Stainless Steel

Stainless Steel ist rostfreier Stahl mit Bronze als Infiltrat (420 SS+Bronze). Das Sintern von Stahl bietet eine sehr gute Möglichkeit als Alternative zu Feinguss. Es sind weder Gussformen, noch Einspritzanlagen nötig. Das Wechseln von Formen und Strukturen ist somit mit Austausch der 3D Datei wesentlich einfacher. Nur durch den Prozess des Weichglühens kann das Material maschinell nachbearbeitet werden (drehen, fräsen, bohren, schleifen, …).

Der Metalldruck-Prozess kann im nachfolgenden Video eindrucksvoll gesehen werden:

Sandstein

Zu Sandstein sind leider nicht allzu viele Werkstoffkenndaten angegeben. Die minimale Wanddicke liegt bei 2mm und bei shapeways ist ein Multicolorverfahren möglich, d.h. die Oberfläche des Objektes wird eingefärbt. Vorsicht: wird das Objekt mit Wasser abgewaschen oder abgewischt, wird die Farbe rausgewaschen. Innerhalb eines Objektes sind sehr feine Strukturen Möglich, aber „Drähte“ oder allein stehende Wände sollten nicht zu dünn gehalten werden, da diese sonst sehr zerbrechlich sind, bzw. nicht mal unter Eigengewicht halten. Der Werkstoff an sich fühlt sich hart und spröde an, eine zerstörende Werkstoffprüfung habe ich allerdings (noch) nicht übers Herz bekommen.

Auch diesen Werkstoff habe ich anhand einer kleinen Tigerente mit beweglichen Rädern ausprobiert:

Ente 3

Extruder:

Im Extrusionsverfahren wird der Werkstoff in einer Heizdrüse aufgewärmt und als pastöser Faden in einer bestimmten Bahn aufgetragen. Je dünner der Faden ist, umso kleiner sind die Schichten und dementsprechend feiner die Oberfläche. Es kommen insbesondere Kunststoffe in Frage:

  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Das ABS ist ein Werkstoff, der bei fabberhouse Anwendung findet. Hier ist keine große Suche nach Werkstoffkennblättern notwendig, denn ABS ist ein Standardkunststoff, der auch im Tabellenbuch Maschinenelemente (Roloff/Matek) beschrieben ist. Die Dichte liegt bei diesem Kunststoff bei 1,05g/cm³ und die Zugfestigkeit bei 32N/mm². Aufgrund der einzelnen Kerben durch die Schichten des aufgetragenen Materials könnte die Zugfestigkeit in der Praxis noch geringer ausfallen. ABS zeichnet sich durch eine hohe Formbeständigkeit und Temperatuwechselfestigkeit aus.

Ein gedrucktes Beispiel ist das rote Kugellager im Titelbild.

  • Crystal Plastic Material

Die Mindestwanddicke beträgt 0,6mm und Zugfestigkeit liegt bei 26N/mm². Das Material ist extrem hitzeempfindlich: bereits bei 46°C zersetzt sich das Material und 80°C ist die Erweichungstemperatur. Modelle aus diesem Material am besten also nicht mal vor dem Fenster oder im Fahrzeug in der Sonne stehen lassen. Es sind trotz allem sehr feine Strukturen und Drahtkonstruktionen möglich.

Quellen

http://de.objet.com/Misc/Materialien/

http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=sterling_silver

http://www.eos.info/produkte/werkstoffe.html

http://www.konstruktionswerk.de/

http://www.shapeways.com/materials

http://www.fabberhouse.de/pages/faq.aspx

http://printin3d.com/3d-printer-materials

http://printin3d.com/class-vi-certification-information-visijet-materials

http://i.materialise.com/materials/stainless-steel/datasheet

3D Drucke

3 Gedanken zu „Materialien für 3D-Druck-Verfahren

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  2. peter

    Das ist ja echt faszinierend wie viele Matierialien man fürd 3D-Drucken benutzen kann! Ich habe schon mal auch mit Holz gedruckt!

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