Verbundwerkstoff-Filamente werden immer häufiger eingesetzt. Diese Materialien bestehen aus einer Kunststoffmatrix und einem Füllstoff aus Partikeln oder Fasern. Der Zweck dieses Füllstoffs kann sehr unterschiedlich sein und reicht von der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Materials bis hin zur Verbesserung seines ästhetischen Aussehens oder der Hinzufügung einer neuen Eigenschaft wie z. B. der Leitfähigkeit. Es gibt also drei Arten von Verbundwerkstoffen:
Faserverstärkte Werkstoffe
Hierbei handelt es sich um Materialien, deren Ziel es ist, die mechanischen Eigenschaften der Matrix insgesamt zu verbessern. Die Kunststoffmatrix kann ein beliebiges 3D-Druckmaterial sein, während die am häufigsten verwendeten Verstärkungen Glasfasern, Kohlefasern und Aramidfasern sind.
- Glasfaser: Es bietet eine höhere Widerstandsfähigkeit gegenüber Zugspannungen. Es hat eine gute Flexibilität und verbessert die Biegefestigkeit. Es bietet eine höhere Arbeitstemperatur für das fertige Material.
- Kohlefaser: Wie Glasfasern erhöhen sie die Zug- und Biegefestigkeit, bieten jedoch eine höhere Steifigkeit.
- Aramidfaser: Sie zeichnet sich vor allem durch ihre hohe Schlag- und Ermüdungsfestigkeit aus.
Faserverstärkte Filamente gelten als technische Werkstoffe und sind vor allem für die Herstellung von leistungsstarken Funktionsbauteilen bestimmt. Im Allgemeinen findet man Materialien mit einem Anteil zwischen 10 und 20 %.
Bild 1: Ein mit kohlenstoffverstärktem Nylon 3D-gedrucktes Teil. Quelle: Fillamentum
Die gängigsten faserverstärkten Materialien sind die auf Nylon basierenden, aber auch andere Matrizen wie ABS, PLA, PC oder vor allem PETG sind immer häufiger zu finden.
Materialien mit Füllstoffen mit ästhetischer Funktion
Hierbei handelt es sich um Materialien, die mit verschiedenen Arten von Partikeln und Fasern gefüllt sind, deren Hauptfunktion darin besteht, die ästhetische Oberfläche des Grundmaterials zu verändern. Wir können hauptsächlich 4 Arten von Füllstoffen finden:
- Holzfasern oder -partikel: Dies sind Materialien mit einem hohen Anteil an Partikeln oder pflanzlichen Fasern, deren Funktion darin besteht, eine holzähnliche Oberfläche zu schaffen.
- Mineralische oder keramische Partikel: Im Allgemeinen handelt es sich um Gipspartikel mit verschiedenen Farbstoffen. Sie werden verwendet, um keramik-, stein- oder tonähnliche Oberflächen zu erzielen.
- Pflanzliche Fasern: Hauptsächlich bei PLA verwendet. Ihre Funktion ist es, eine matte Oberfläche zu erzeugen.
- Phosphoreszierende Partikel: Das am häufigsten verwendete Material ist Strontiumaluminatpulver, das ein charakteristisches grünes Leuchten erzeugt. Es wird in "Glow"- oder "Glow-in-the-dark"-Filamenten verwendet.
Bild 2: 3D-gedrucktes Spielzeugauto aus mit Holzfasern angereichertem PLA. Quelle: Fillamentum
Im Allgemeinen werden diese Arten von Füllstoffen mit einer PLA-Matrix kombiniert, um die Kompatibilität mit allen Druckertypen zu maximieren, da das Ziel nicht ein gutes mechanisches Verhalten, sondern eine bestimmte ästhetische Oberfläche ist.
Materialien mit Füllstoffen, die neue Eigenschaften bieten
In einigen Fällen besteht die Funktion der Füllstoffe nicht darin, die Eigenschaften der Matrix selbst zu verbessern, sondern eine neue physikalische Eigenschaft zu verleihen. Die häufigsten sind Leitfähigkeit durch die Verwendung von Graphen und Magnetismus durch Ferritpartikel, aber es gibt auch exotischere Eigenschaften wie die elektromagnetische Abschirmung durch Borkarbid.
Video 1: Mit ferromagnetischem Filament gedrucktes 3D-Teil. Quelle: Protopasta
Es handelt sich um weniger verbreitete Materialien, die für spezielle Anwendungen entwickelt wurden.
Materialien mit metallischen und keramischen Füllstoffen zum Sintern
Hierbei handelt es sich um Filamente mit einem hohen Anteil an Metall- oder Keramikpulver, die für den Druck von Teilen bestimmt sind, die später durch Entbinderungs- und Sinterverfahren weiterverarbeitet werden. Im Allgemeinen besteht die Matrix aus Niedertemperaturmaterialien auf PLA- oder Wachsbasis, um das Entbindern zu erleichtern, das thermisch, chemisch oder in einer Kombination aus beidem erfolgen kann.
Wie man Filamente mit Füllstoffen druckt
Auswahl des Düsendurchmessers
Einige Filamente mit Füllstoffen erfordern den Einsatz von Düsen mit einem Durchmesser von mehr als 0,4. Im Allgemeinen geben die Hersteller von gefüllten Filamenten im technischen Datenblatt die empfohlene Mindestdüsengröße an; falls diese jedoch nicht angegeben ist, sollten die folgenden Angaben berücksichtigt werden:
- Glasfasern: Es wird empfohlen, immer Düsen von mindestens 0,6 mm zu verwenden, da diese in der Regel große Fasern enthalten.
- Kohlefaser: Wenn das Filament kurze Fasern enthält, kann wahrscheinlich eine 0,4-mm-Düse verwendet werden, ohne dass die Gefahr des Verstopfens besteht. Ist das Filament nicht als kurzfaserig spezifiziert, empfiehlt es sich, mit einer 0,6-mm-Düse zu beginnen und eine 0,4-mm-Düse zu verwenden, sobald das Filament mit der größeren Düse erfolgreich gedruckt wurde.
- Aramidfasern: Es wird empfohlen, mit einer 0,6-mm-Düse zu beginnen und eine 0,4-mm-Düse zu verwenden, sobald das Material mit der größeren Düse erfolgreich gedruckt wurde.
- Holzfasern oder -partikel: Es wird empfohlen, immer Düsen von mindestens 0,6 mm und in einigen Fällen sogar 0,8 mm zu verwenden.
- Mineralische oder keramische Partikel: Außer in Fällen, in denen die Belastung sehr hoch ist, ist es im Allgemeinen möglich, diese Art von Filamenten mit 0,4-mm-Düsen zu drucken.
- Pflanzliche Fasern: Es wird empfohlen, mit einer 0,6-mm-Düse zu beginnen und es mit einer 0,4-mm-Düse zu versuchen, sobald der Druck mit der größeren Düse erfolgreich war.
- Phosphoreszierende Partikel: Diese können im Allgemeinen mit 0,4-mm-Düsen gedruckt werden.
- Partikel mit metallischen oder keramischen Füllstoffen: Hier gibt es in der Regel große Unterschiede von einem Material zum anderen und sogar zwischen demselben Material von verschiedenen Anbietern. Wenn der Hersteller keine Mindestgröße angibt, ist es ratsam, immer mit einer 0,6-mm-Düse zu beginnen und eine 0,4-mm-Düse zu verwenden, sobald das Material mit der größeren Düse erfolgreich gedruckt wurde. Bei einigen speziellen Materialien kann es erforderlich sein, 0,8-mm-Düsen zu verwenden.
Bild 3: Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern. Quelle: E3D
Verwendung von gehärteten Düsen und Komponentenverschleiß
Es ist zu beachten, dass alle Filamente mit Füllstoffen zu einem erhöhten Verschleiß an den Komponenten des Hotends und des Extruders führen, insbesondere an der Düse, dem Heatbreak, den Extruderrädern und den PTFE-Schläuchen oder -Einsätzen.
Einige Filamente sind besonders abrasiv, z. B. Kohlenstoff-, Aramid- und Glasfaserfilamente oder metallische, keramische und phosphoreszierende Partikel. Bei der Verwendung dieser Filamente wird empfohlen, gehärtete Düsen zu verwenden.
Bild 4: Vergleich des Düsenverschleißes bei verschiedenen Materialien. Quelle: 3DVerkstan
Wenn diese Art von Abrasivfilament regelmäßig verwendet wird, ist es ratsam, zusätzlich zu gehärteten Düsen, Wärmeunterbrechungen aus widerstandsfähigeren Materialien wie Titan und Extruder mit gehärteten Stahlrädern zu verwenden. Darüber hinaus sollte der Zustand dieser Komponenten sowie der PTFE-Schläuche und -Einsätze regelmäßig überprüft und bei Anzeichen von Verschleiß ersetzt werden.
Druckgeschwindigkeit und Temperatur
Füllstoffverstärkte Filamente haben eine höhere Viskosität als ihre ungefüllten Gegenstücke, so dass es ratsam ist, niedrigere maximale Druckgeschwindigkeiten zu verwenden. Bei hohen Druckgeschwindigkeiten kann es auch erforderlich sein, die Drucktemperatur etwas zu erhöhen, um die Viskosität zu verringern.
Grundhaftung und Warping
Filamente mit Füllstoffen schrumpfen in der Regel beim Abkühlen weniger und neigen daher weniger zum Verziehen. Je höher der Anteil an Fasern oder Partikeln ist, desto geringer ist die Schrumpfung.
Andererseits wirken sich Füllstoffe in der Regel auch auf die Haftung des Materials auf dem Substrat aus, die leicht verringert wird. Es ist ratsam, bei der Verwendung dieser Art von Filamenten, insbesondere bei Filamenten mit einem hohen Füllstoffanteil, Haftungslösungen wie Klebstoffe oder Lacke zu verwenden.
Zerbrechlichkeit von Filamenten
Ein allgemeines Merkmal partikelbeladener Filamente ist ihre erhöhte Sprödigkeit, insbesondere bei Filamenten mit hohem Füllstoffanteil oder solchen auf PLA-Basis. Deshalb ist es sehr wichtig, die Spule richtig zu positionieren, damit der Weg zum Extruder so gerade und kurz wie möglich ist. Es ist auch ratsam, Direktextruder zu verwenden, obwohl einige dieser Filamente auch in Bowden-Druckern gedruckt werden können. Im letzteren Fall ist es ratsam, die PTFE-Schläuche so zu positionieren, dass sie einen möglichst großen Biegeradius haben, sowie die Teile an der Vorderseite der Druckbasis zu positionieren.
Bild 5: Spulenhalter, der direkt auf den Extruder gesetzt wird, um das Filament gerade zuzuführen. Quelle: Raise3D
Filamente mit Füllstoffen sind eine besondere Kategorie, die sehr unterschiedliche Materialien umfasst und im Allgemeinen besondere Druckkonfigurationen erfordert. Deshalb ist es immer ratsam, alle vom Hersteller bereitgestellten Informationen zu konsultieren und dessen Druckempfehlungen zu befolgen.
In diesem Leitfaden werden die Konzepte in allgemeiner Form behandelt, ohne auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell einzugehen, auch wenn diese an einigen Stellen erwähnt werden. Die Kalibrierungs- und Einstellverfahren können sich von Marke zu Marke und von Modell zu Modell erheblich unterscheiden, daher wird empfohlen, vor der Lektüre dieses Leitfadens das Handbuch des Herstellers zu konsultieren.
