Materialien für die additive Fertigung im Überblick

Seit der Erfindung des 3D-Drucks in den 1980er Jahren hat sich eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren entwickelt. Wie die alternativen Bezeichnungen „Additive Fertigung“ oder „Generative Fertigung“ andeuten, ist allen 3D-Druck-Verfahren gemein, dass Schichten von Material nacheinander so aufgetragen werden, um so Schritt für Schritt auch komplexe dreidimensionale Werkstücke herzustellen.

Grob lassen sich dabei drei Arten von 3D-Druck-Verfahren mit Kunststoffen unterscheiden: Zum einen pulverbasierte Verfahren, bei denen pulverförmige Werkstoffe Schicht für Schicht aufgetragen und miteinander verbunden werden. Dies kann durch Verschmelzung über einen Laser (Selektives Lasersintern, SLS), Elektronenstrahl (Electron Beam Melting, EBM) beziehungsweise eine Wärmelampe (Multi Jet Fusion, MJF) oder aber alternativ durch ein spezielles Bindemittel geschehen (Binder Jetting). Das ungebundene Material lässt sich dann entfernen, sodass das fertige Objekt zurückbleibt. Eine zweite Gruppe bilden Verfahren, die auf dem Schmelzen von Feststoffen basieren (Schmelzschichtung, FDM oder FFF). Hier werden bestimmte thermoplastische Kunststoffe, die in Form von drahtförmigen Filamenten vorliegen, aufgeschmolzen, an den gewünschten Stellen extrudiert und durch Abkühlung ausgehärtet. Beim dritten Verfahren wiederum liegt das Druckmaterial – etwa in Form von Epoxidharz wie bei der sogenannten Stereolithografie (SLA) – flüssig vor und wird wieder Schicht für Schicht durch Laserstrahlung lokal ausgehärtet.

Den Werkstoff für pulverbasierte Verfahren bilden vor allem Polyamide (PA), als Fasern auch bekannt unter dem Handelsnamen Nylon. Diese Polymere sind besonders aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Zähigkeit als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Anwendungen geeignet, zum Beispiel als mechanische Bauteile. Darüber hinaus sind Polyamide wasserfest sowie beständig gegenüber organischen Lösungsmitteln wie Ölen, Fetten oder Benzin und lassen sich gut recyceln. Der Werkstoff kommt im 3D-Druck in verschiedenen Versionen zum Einsatz, am häufigsten sind PA 6 bzw. PA 6.6, PA 11 und vor allem PA 12 – dabei bietet PA6 die höchste Zugfestigkeit, während PA12 besonders preiswert, leicht und resistent gegenüber Chemikalien ist. Ein Vorzug von PA11 wiederum besteht in der Tatsache, dass der Werkstoff aus Rizinusöl und damit aus einem nachwachsenden Rohstoff hergestellt wird.

Zweifellos gehören Polyamide zu den „Standardmaterialien“ im 3D-Druck, die in großen Mengen zum Einsatz kommen. Mehrere Werkstoffproduzenten haben daher in letzter Zeit ihre Kapazitäten ausgebaut. So kündigte etwa Evonik 2018 an, rund 400 Mio. Euro in die Produktion von PA-12-Pulvern am Standort Marl zu investieren. Der Spezialchemie-Konzern begründete seine bis dahin größte Investition innerhalb von Deutschland auch mit dem „attraktiven Wachstumsmarkt“ 3D-Druck. Das Wachstum in diesem speziellen Markt liegt nach Angaben des Unternehmens im zweistelligen Prozentbereich.

Neben Polyamiden gibt es noch eine Reihe weiterer Materialien für den Kunststoff-3D-Druck in besonderen Anwendungen: Wenn ein Werkstück elastisch sein soll, kommt mittlerweile in den meisten Fällen das thermoplastische Elastomer TPU zum Einsatz. Neben der Elastizität besitzt der Werkstoff außerdem eine hohe Reiß- und Abriebfestigkeit sowie thermische Stabilität. Polypropylen (PP) gehört zu den am häufigsten hergestellten und eingesetzten Kunststoffen überhaupt. Es ist daher naheliegend, dieses Material auch in der additiven Fertigung zu verwenden, etwa wenn 3D-gedruckte Prototypen im Material mit den späteren Serienprodukten übereinstimmen sollen. In der Produktion von PP- und TPU-Pulvern ist unter anderem der Chemiekonzern BASF aktiv. Ein weiterer Pulverwerkstoff, der im 3D-Druck zum Einsatz kommt ist PEEK. Als „Hochleistungswerkstoff“, der thermomechanische Stabilität bei gleichzeitig niedrigem Gewicht mitbringt, findet 3D-Druck mit PEEK vor allem in speziellen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt oder in der Medizin Anwendung.

Filamente für den 3D-Druck

Gerade in Heimanwendungen am weitesten verbreitet ist der 3D-Druck mit Filamenten. Filament kommt vom lateinischen Begriff „Filamentum“, und bedeutet so viel wie „Fadenwerk“. Die beiden gebräuchlichsten Materialien für diese Variante des 3D-Drucks sind sicher Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polylactide (PLA). PLA ist besonders deshalb beliebt, weil es sehr einfach zu verarbeiten ist: Die Temperaturen, um den Werkstoff zum Schmelzen zu bekommen, sind niedriger als beim „Konkurrenten“ ABS. Außerdem basiert PLA auf Milchsäure, lässt sich aus nachwachsenden Rohstoffen herstellen und ist zumindest unter industriellen Bedingungen auch wieder biologisch abbaubar. Durch die globale Umweltdiskussion hat die Produktion von PLA daher in den letzten Jahren auch stark zugelegt. Auch 2021 soll etwa im Süden Chinas eine neue PLA-Anlage mit einer Produktionskapazität von 30.000 t/a in Betrieb gehen.

ABS gehört ebenfalls zu den thermoplastischen Kunststoffen, ist aber erdölbasiert. Da der Werkstoff dem PLA in einigen Materialeigenschaften wie der Haltbarkeit überlegen, dafür aber schwieriger zu verarbeiten ist, kommt er weniger im Heimbereich als in industriellen Bereichen wie der Chemie-, Automobil- und Elektroindustrie zum Einsatz. Aber auch in der Spielwarenindustrie ist der Werkstoff bekannt: Die berühmten Legosteine sind aus ABS gefertigt, freilich aber nicht 3D-gedruckt. In diesen Anwendungen kann ABS seine Eigenschaften wie hohe Widerstandsfähigkeit sowie Hitzebeständigkeit ausspielen. Zudem ist ABS relativ elastisch und somit auch weniger spröde.

Eine Alternative zu ABS mit einer ähnlich leichten Verarbeitung ist PET. Dieser weltweit verbreitetste Kunststoff überhaupt wird für den 3D-Druck meist mit Glykol modifiziert – sogenanntes PETG. Erreicht werden dadurch eine niedrigere Schmelztemperatur, niedrigere Viskosität sowie die Senkung der Kristallisation. Nachteile des Materials sind seine Hygroskopizität sowie ein leichtes Verkratzen der Oberflächen. Da sich Filamente aus Pulvern herstellen lassen, kommen auch beim Filamentdruck einige der bereits beim Pulverdruck genannten Materialien zum Einsatz – so unter anderem PP, TPU und PA.

Harze für den 3D-Druck

Die additive Fertigung mit Photopolymeren, die Stereolithografie, ist die älteste Form des 3D-Drucks. Der Schlüssel zu diesem Verfahren liegt in der Eigenschaft des flüssigen Materials als lichtaushärtende Kunststoffe. Diese gibt es auf Epoxid-, Acryl- und seltener auf Vinylbasis. Die Bauteile aus diesen Materialien sind gewöhnlich weniger mechanisch stabil und widerstandsfähig im Vergleich zu mit den anderen Verfahren hergestellten Werkstücken – das gilt insbesondere für kurzkettige Monomere. Dafür lassen sich mit den Werkstoffen sehr detailreiche und kleinteilige Formen herstellen.
In letzter Zeit kommen jedoch auch immer mehr Werkstoffe für anspruchsvollere industrielle Anwendungen auf den Markt – etwa für hohe Temperaturen oder hohen Druck. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Medizintechnik. Im Bereich der Materialien für Stereolithografie ist insbesondere der Chemiekonzern Henkel aktiv. Durch die Entwicklung neuer Materialien wolle man „Additive Fertigungstechnologien auf die Serienproduktion von Bauteilen in verschiedenen Branchen ausweiten“. Wie hier erreicht die additive Fertigung mit den richtigen Materialien, seien sie pulver-, filament-, oder flüssigbasiert, in einigen Bereichen bereits ein großes Ziel: mit traditionellen Spritzgussverfahren konkurrieren zu können.