Elektrizität drucken: Alles, was Sie über leitfähige Filamente für den 3D-Druck wissen müssen

Wenn man in die Welt der leitfähigen Filamente eintaucht, stellt man als Erstes fest, dass sich hinter der Bezeichnung „leitfähig“ sehr unterschiedliche Realitäten verbergen. Es gibt Materialien, die lediglich statische Elektrizität ableiten, und andere, die sich erhitzen, Strom leiten und als Leiterbahnen fungieren. Der Unterschied zwischen ihnen ist kein Detail: Es geht um Größenordnungen. Diesen Unterschied zu verstehen, ist der Schlüssel, um keine Überraschungen zu erleben.

In diesem Beitrag erklären wir von Grund auf, was elektrische Leitfähigkeit ist, wie sie in einem Kunststoff erreicht wird, welche Anwendungen welches Leitfähigkeitsniveau benötigen und analysieren schließlich fünf sehr unterschiedliche Filamente: das Multi3D Electrifi, das 3DXSTAT ESD PLA von 3DXTech, das Filaflex Conductivo von Recreus, das Fili von AIMPLAS und das PLA Conductivo von Spectrum.

Was genau ist Leitfähigkeit?

Die elektrische Leitfähigkeit (dargestellt durch den griechischen Buchstaben σ, Sigma) misst, wie gut ein Material elektrischen Strom durchlässt. Ihre Einheit ist Siemens pro Meter (S/m). Je höher der Wert, desto leichter fließt der Strom.

Um eine Vorstellung von den Größenordnungen zu bekommen:

Wie man sieht, besteht zwischen reinem Kupfer und einem leitfähigen PLA der unteren Leistungsklasse ein Unterschied von fast zehn Millionen. Und selbst zwischen den leitfähigen Filamenten auf dem Markt gibt es Unterschiede um mehrere Tausend. Das ist kein nebensächliches Detail.

Wie wird ein Kunststoff leitfähig?

PLA, PETG oder TPU sind in ihrem reinen Zustand perfekte elektrische Isolatoren. Damit sie Strom leiten, müssen leitfähige Partikel in ihrem Inneren verteilt werden. Die Idee dahinter ist, dass diese Partikel einander berühren und so ein Netzwerk von Wegen bilden, durch die der Strom fließen kann.

Das hat einen Namen: elektrische Perkolation. Und sie besitzt eine faszinierende Eigenschaft: Sie erfolgt nicht schrittweise. Bis zu einem bestimmten Füllgrad leitet das Material fast gar nicht. Sobald jedoch diese Schwelle überschritten wird (die elektrische Perkolationsschwelle) und sich die Partikel zu berühren beginnen, kann sich die Leitfähigkeit schlagartig um das Tausendfache erhöhen. Danach verbessert zusätzlicher Füllstoff die Leitfähigkeit weiterhin, allerdings mit abnehmendem Nutzen.

Die Art des verwendeten Füllstoffs bestimmt, wie weit man gehen kann:

• Ruß (Carbon Black). Die günstigste und am weitesten verbreitete Option. Kugelförmige Kohlenstoffpartikel, die durch die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entstehen. Sie liefern eine moderate Leitfähigkeit und sind verantwortlich für die schwarze Farbe der meisten günstigen leitfähigen Filamente. Die Perkolationsschwelle erfordert eine relativ hohe Menge (etwa 15–20 Gewichtsprozent).
• Kohlenstoffnanoröhren (CNT). Zylinder aus Graphen im Nanomaßstab mit einer Länge, die deutlich größer ist als ihr Durchmesser. Dank dieser länglichen Geometrie „berühren“ sie sich bereits bei geringerer Konzentration des Füllstoffs (1–5 Gewichtsprozent reichen aus) und können etwas höhere Leitfähigkeiten als Carbon Black erreichen. Sie sind jedoch teurer und schwieriger homogen zu dispergieren.
• Graphen. Schichten aus einem einzigen Kohlenstoffatom in hexagonalem Gitter. Sehr hohe intrinsische Leitfähigkeit und extrem niedrige Perkolationsschwelle. Das Problem besteht darin, dass „reines“ Graphen schwer zu verarbeiten ist, weshalb handelsübliche Filamente meist reduziertes Graphenoxid (rGO) verwenden, dessen tatsächliche Leitfähigkeit deutlich bescheidener ausfällt.
• Metallpartikel (Kupfer, Silber, Nickel). Hier findet der qualitative Sprung statt. Sobald Metall im Netzwerk vorhanden ist, kann die Leitfähigkeit hundert- oder tausendmal höher sein als bei jedem kohlenstoffbasierten Füllstoff. Dies ist die Technologie des Electrifi von Multi3D, des einzigen FFF-Filaments auf dem Markt mit Kupferfüllung. Der Nachteil: Es ist abrasiver und erfordert gehärtete Stahldüsen.

Nicht alle „leitfähigen“ Filamente eignen sich für dasselbe

Das ist der zentrale Punkt, der am meisten Verwirrung stiftet. Je nach Leitfähigkeitsniveau eignet sich ein Filament für völlig unterschiedliche Anwendungen:

Stufe 1 – Antistatisch / ESD (die kaum leiten)

Diese Materialien transportieren keinen nutzbaren Strom, verhindern aber die Ansammlung statischer Elektrizität. Wenn man ein Teil aus diesem Material berührt, werden die Ladungen langsam abgeleitet, anstatt sich anzusammeln und sich plötzlich zu entladen.

Wofür ist das nützlich? Zum Schutz empfindlicher elektronischer Komponenten: Trays für integrierte Schaltungen, Aufbewahrungsboxen für Mikrochips oder Umgebungen, in denen ein Funke einen Brand verursachen könnte. Ebenso für Rollen und Führungen in Maschinen, bei denen statische Elektrizität Probleme mit Haftung oder Staubanziehung verursacht.

Was man damit nicht machen kann: eine LED einschalten, etwas erhitzen oder das Material als Leiterbahn verwenden.

Stufe 2 – Sensorik / Signalisierung (die „ein wenig“ leiten)

Hier leitet das Material zwar Strom, aber mit so hohem Widerstand, dass es nur für Anwendungen mit sehr geringer Stromstärke geeignet ist. Die intuitivste Erklärung lautet: Sie eignen sich für alles, was mit einem Widerstand von 1 kΩ funktioniert.

Dazu gehören digitale Eingänge eines Arduino (sie erkennen Kontakt oder keinen Kontakt), Touchsensoren, Tastaturen mit geringer Auflösung, Trackpads oder Drucksensoren, bei denen sich der elektrische Widerstand durch Kompression des Bauteils verändert. Es ist jedoch nicht möglich, direkt eine Glühbirne einzuschalten oder einen Motor zu betreiben.

Was hingegen möglich ist: das Prototyping taktiler Interfaces, piezoresistiver Sensoren, Bildungsprojekte in der Elektronik oder Wearables, bei denen die Leiterbahnen lediglich Signale übertragen müssen, ohne Strom zu transportieren.

Stufe 3 – Funktionaler Leiter (die wirklich leiten)

In diesem Bereich kann das Bauteil echten Strom transportieren, kontrollierte Wärme durch den Joule-Effekt erzeugen, als zuverlässige Masseverbindung dienen oder elektromagnetische Abschirmung bieten. Das ist eine völlig andere Kategorie als die vorherigen, und im aktuellen FFF-Markt wird sie ausschließlich vom Electrifi von Multi3D besetzt.

Was möglich ist: gedruckte Heizelemente mit individueller Geometrie, Stromverteilungsbahnen für Prototypen, Gehäuse mit integrierter Erdung, EMI-Abschirmungen und Niederspannungs-Verbindungen ohne Löten.