Woraus besteht 3D-Druckfilament *wirklich*? Ein einfacher Leitfaden für 2025

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Du hast dir gerade deinen ersten 3D-Drucker gekauft. Neben dem Gerät liegt eine versiegelte Rolle Filament, wahrscheinlich PLA. Du weißt, dass es „Kunststoff“ ist, aber was bedeutet das eigentlich? Aus welchem ​​Material bist du, das du gleich Schicht für Schicht zu Hause oder im Klassenzimmer schmelzen und formen wirst? Die Antwort ist interessanter, als du vielleicht denkst.

Im Kern besteht 3D-Druckfilament aus speziellen Kunststoffen, sogenannten Thermoplasten. Diese Materialien werden bei Erhitzung auf eine bestimmte Temperatur weich und biegsam und verfestigen sich beim Abkühlen wieder. Dieser Erhitzungs- und Abkühlungsprozess kann beliebig oft wiederholt werden, ohne das Material zu beschädigen.

Die meisten Filamente bestehen jedoch nicht aus einem einzigen Kunststoff. Fast alle folgen einem einfachen Rezept: einem Basiskunststoff und weiteren beigemischten Komponenten. Der Basiskunststoff, wie beispielsweise PLA oder ABS, verleiht dem Filament seine grundlegenden Eigenschaften. Die zusätzlichen Komponenten verändern und verbessern diese Eigenschaften und erzeugen so die Vielfalt an Farben, Texturen und Festigkeiten, die wir heute im Handel finden.

In diesem Leitfaden erklären wir Ihnen alles Wichtige zum Thema 3D-Druckfilament. Wir betrachten die Rohstoffe der gängigsten Kunststoffe, lernen die Additive kennen, die deren Eigenschaften verbessern, geben einen Einblick in eine Filamentfabrik und erörtern, was dies für Ihre Drucke und Ihre Sicherheit im Jahr 2025 bedeutet.

Die grundlegenden Bausteine

Bevor wir uns mit den einzelnen Typen befassen, ist es wichtig zu verstehen, woraus alle FDM-Filamente bestehen: Thermoplaste. Man kann sich einen Thermoplast wie eine Tafel Schokolade oder ein Stück Butter vorstellen. Man kann ihn schmelzen, in eine Form gießen und wieder aushärten lassen. Beim erneuten Schmelzen verhält er sich genauso. Thermoplaste funktionieren nach demselben Prinzip, nur bei viel höheren Temperaturen.

Unter dem Mikroskop bestehen diese Materialien aus langen, kettenartigen Molekülen, sogenannten Polymeren. Im festen Zustand sind diese Ketten miteinander verknäuelt und verleihen dem Kunststoff seine Struktur. Beim Erhitzen im Hotend des Druckers nehmen die Ketten Energie auf und können aneinander vorbeigleiten, wodurch das Material fließt. Beim Abkühlen auf dem Druckbett verknäueln sich die Ketten wieder und bilden eine feste Schicht.

Diese Kunststoffe werden nicht als Spulen geliefert. Das Rohmaterial für die Filamentherstellung besteht aus kleinen, trockenen Pellets oder Granulaten, oft auch „Nurdles“ genannt. Diese Nurdles sind die Grundbausteine, die nach dem Schmelzen und der Weiterverarbeitung das fertige Filament ergeben.

Die gebräuchlichsten Materialien

Die meisten 3D-Druckverfahren verwenden einige wenige Kernmaterialien. Zu verstehen, woraus 3D-Druckfilament besteht, ist der erste Schritt für dessen optimale Nutzung.

PLA: Die pflanzliche Alternative

Polymilchsäure, kurz PLA, ist wahrscheinlich das beliebteste Filament, insbesondere bei Anfängern. Hauptbestandteil ist kein Erdöl, sondern fermentierte Stärke aus nachwachsenden Rohstoffen wie Mais, Zuckerrohr oder Tapiokawurzeln. Dieser pflanzliche Ursprung verleiht PLA einige seiner einzigartigen Eigenschaften.

Für Anwender hat diese Zusammensetzung mehrere Vorteile. PLA verströmt beim Drucken einen schwachen, leicht süßlichen Geruch, der deutlich angenehmer ist als bei vielen anderen Kunststoffen. Es schrumpft beim Abkühlen kaum, d. h. es zieht sich beim Erhitzen nur minimal zusammen. Dadurch lässt es sich sehr einfach verarbeiten, da es sich nicht verzieht oder vom Druckbett abhebt und oft gar kein Heizbett benötigt. Obwohl es häufig als „biologisch abbaubar“ beworben wird, gibt es hierbei eine wichtige Warnung, auf die wir später noch eingehen werden.

ABS: Das starke Original

ABS, oder Acrylnitril-Butadien-Styrol, ist einer der ersten Kunststoffe für den 3D-Druck und wird aufgrund seiner Festigkeit und Zähigkeit geschätzt. Es wird aus fossilen Brennstoffen hergestellt, und sein Name verweist auf seine drei Hauptbestandteile, von denen jeder eine wichtige Eigenschaft verleiht.

  • Acrylnitril sorgt für Hitzebeständigkeit und Chemikalienbeständigkeit. Es ist ein starrer, starker Grundbaustein, der das Rückgrat des Materials bildet.
  • Butadien ist ein synthetischer Kautschuk. Durch seinen Einbau in die Polymerkette erhält ABS seine bekannte Zähigkeit und bessere Schlagfestigkeit im Vergleich zu spröderen Kunststoffen.
  • Styrol verleiht ABS seine starre Struktur und trägt zu seiner typischerweise glänzenden Oberfläche bei. Leider ist es auch die Ursache für den starken, unangenehmen Geruch und die Freisetzung schädlicher Dämpfe beim Drucken.

Für Anwender ergibt diese chemische Zusammensetzung ein robustes, hitzebeständiges Material, das sich gut für Funktionsteile eignet, die Belastungen standhalten müssen. Allerdings birgt es auch Herausforderungen. ABS schrumpft beim Abkühlen stark und neigt daher zum Verziehen. Ein beheiztes Druckbett und idealerweise ein geschlossener Drucker sind erforderlich, um eine stabile Temperatur zu gewährleisten und ein optimales Druckergebnis zu erzielen. Zudem ist eine gute Luftzirkulation unerlässlich, um die Dämpfe abzuführen.

PETG: Das Beste aus beiden Welten?

PETG, oder Polyethylenterephthalatglykol-modifiziertes Polyethylenterephthalat, ist ein hervorragender Kompromiss. Es basiert auf PET, dem gleichen gängigen Polymer, aus dem Wasserflaschen und Lebensmittelbehälter hergestellt werden. Herkömmliches PET wird jedoch bei wiederholtem Erhitzen und Abkühlen trüb und spröde. Um dies zu verhindern, fügen die Hersteller der Polymerkette Glykol hinzu.

Dieser Zusatz von „G“ ist der Schlüssel. Er verhindert die Kristallisation beim Erhitzen und Abkühlen des Materials, sodass es klar bleibt und, was noch wichtiger ist, die Sprödigkeit verhindert wird, die es sonst für den 3D-Druck ungeeignet machen würde.

Diese Zusammensetzung ergibt ein Filament, das viele als die Vorteile beider Materialien betrachten. Es vereint die einfache Druckbarkeit und geringe Schrumpfung von PLA mit Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Zähigkeit, die fast an ABS heranreichen. Es bietet eine ausgezeichnete Schichthaftung, was zu sehr stabilen Bauteilen führt. Viele PETG-Typen sind zudem lebensmittelecht (bitte stets das Datenblatt des Herstellers beachten) und weisen eine gute Chemikalienbeständigkeit auf, wodurch sie sich vielseitig für zahlreiche funktionale Anwendungen eignen.

Hochleistungswerkstoffe

Wenn Standardfilamente nicht ausreichen, greifen Hersteller auf technische Werkstoffe zurück. Diese sind für spezielle, anspruchsvolle Anwendungen konzipiert, von flexiblen Handyhüllen bis hin zu hochfesten mechanischen Zahnrädern.

TPU: Wie das Filament flexibel wird

Wenn Sie jemals ein gedrucktes Teil gesehen haben, das sich biegen, verdrehen und zusammendrücken lässt, bestand es höchstwahrscheinlich aus TPU (thermoplastischem Polyurethan). Seine einzigartige Flexibilität verdankt es seiner Molekularstruktur. Es handelt sich um ein Blockcopolymer, das heißt, es besteht aus abwechselnden Ketten harter und weicher Segmente.

Die harten Segmente verleihen dem Filament Struktur und ermöglichen eine Verarbeitung wie bei Kunststoffen, während die weichen, gummiartigen Segmente für die Dehnbarkeit sorgen. Das Verhältnis von harten zu weichen Segmenten bestimmt die Gesamthärte des Filaments, die auf der Shore-Härteskala gemessen wird. Ein höherer Anteil weicher Segmente führt zu einem weicheren, flexibleren Filament.

Für Anwender bedeutet dies die Möglichkeit, wirklich gummiartige Teile herzustellen, die nicht nur flexibel, sondern auch äußerst langlebig und verschleißfest sind. Das Drucken mit TPU erfordert eine andere Vorgehensweise als mit starren Materialien. Da das Filament knicken und sich dehnen kann, muss es mit deutlich geringeren Geschwindigkeiten gedruckt werden, und ein Direktantriebsextruder wird für eine bessere Kontrolle oft empfohlen.

Nylon: Die Wahl des Ingenieurs

Nylon ist kein einzelnes Material, sondern eine Familie synthetischer Polymere, die als Polyamide bekannt sind. Seine Geschichte liegt in der Textilindustrie – es wurde bekanntlich als Ersatz für Seide in Artikeln wie Strümpfen entwickelt. Dieselbe Kombination aus Festigkeit, Flexibilität und Haltbarkeit macht es zu einem hervorragenden Material für technische Anwendungen im 3D-Druck.

Als Filament verwendet, erzeugt Nylon Teile mit einer unübertroffenen Kombination aus Zähigkeit und geringer Reibung, was es zur ersten Wahl für den Druck von funktionalen Zahnrädern, beweglichen Scharnieren und anderen mechanischen Teilen macht, die wiederholtem Verschleiß und Bewegungen standhalten müssen.

Die größte Herausforderung beim Drucken mit Nylon besteht darin, dass es Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt. Es saugt Wasser aus der Umgebungsluft sehr stark auf. Wird eine Nylonspule an der Luft gelagert, sättigt sie sich mit Wasser. Beim Einführen dieses feuchten Filaments in den Hotend verdampft das Wasser, was zu Blasenbildung, Löchern und schlechter Schichthaftung führt und den Druck ruiniert. Daher muss Nylon in einer Trockenbox gelagert und vor dem Drucken oft in einem speziellen Trockner aktiv getrocknet werden, um gute Ergebnisse zu erzielen.

ASA: Die wetterfeste Alternative

ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat) ist eng mit ABS verwandt. Es enthält zwei der gleichen Komponenten – Acrylnitril und Styrol – und weist daher ähnliche Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auf. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Butadien durch ein Acrylat-Elastomer ersetzt wird.

Butadien bietet zwar eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit, seine chemische Struktur wird jedoch durch UV-Strahlung und Witterungseinflüsse zerstört. Das Acrylat in ASA hingegen ist von Natur aus UV-stabil.

Diese eine Änderung in seiner Zusammensetzung macht ASA zur besseren Wahl für alle Teile, die für den langfristigen Außeneinsatz bestimmt sind. Es besitzt die gleiche mechanische Festigkeit wie ABS, wird aber im Laufe der Zeit durch Sonneneinstrahlung und Witterungseinflüsse weder spröde noch vergilbt es. Dadurch eignet es sich ideal für den 3D-Druck von Gartengeräten, individuellen Fahrzeugteilen oder Gehäusen für Outdoor-Elektronik. Wie ABS benötigt es aufgrund der Styroldämpfe ein beheiztes Druckbett und gute Belüftung.

Mehr als nur Plastik

Die Basispolymere sind nur die halbe Wahrheit. Das Geheimnis der explosionsartigen Vielfalt an Filamentoptionen liegt in den Additiven. Dabei handelt es sich um Stoffe, die während der Herstellung den Basispolymerpellets beigemischt werden, um die Eigenschaften des Filaments maßgeblich zu verändern.

Farbstoffe: Farbe hinzufügen

Die natürliche Farbe der meisten Basispolymere ist milchig-weiß oder gelblich. Um die vielfältigen Farben der verfügbaren Filamente zu erzeugen, mischen die Hersteller ein sogenanntes Masterbatch unter. Dieses Masterbatch besteht aus Granulat mit hochkonzentrierten Pigmenten, die mit einem Trägerpolymer vermischt sind. Während der Extrusion wird eine kleine Menge dieses Farbmasterbatches mit dem natürlichen Basispolymer vermischt, um die gewünschte Endfarbe und Deckkraft zu erzielen.

Verbundwerkstoffe für Spezialkräfte

Zu den spannendsten Filamenten zählen Verbundwerkstoffe, bei denen nicht-plastische Materialien beigemischt werden, um dem Filament neue Eigenschaften zu verleihen.

  • Kohlenstofffaser: Winzige, geschnittene Kohlenstofffaserstränge werden mit einem Basispolymer (wie PLA, PETG oder Nylon) vermischt. Diese Fasern sind im Verhältnis zu ihrem Gewicht extrem fest und steif. Selbst in geringen Mengen erhöhen sie die Steifigkeit, Festigkeit und Dimensionsstabilität des fertigen Drucks erheblich.
  • Holz: Zur Herstellung von holzgefüllten Filamenten wird feiner Holzstaub oder -mehl mit einem Polymer, meist PLA, vermischt. Dadurch entsteht zwar kein so stabiles Bauteil wie Holz, aber das Druckergebnis weist eine einzigartige, faserige, matte Textur auf, die echtem Holz ähnelt – sowohl in Aussehen und Haptik als auch im Geruch. Diese Bauteile lassen sich oft schleifen und beizen.
  • Metall: Metallgefüllte Filamente enthalten einen hohen Anteil an feinem Metallpulver – beispielsweise Bronze, Kupfer, Messing oder Edelstahl – eingebettet in eine Polymermatrix. Die so entstandenen Drucke sind deutlich schwerer als herkömmliche Kunststoffdrucke und können nachbearbeitet (geschliffen, poliert oder getrommelt) werden, um einen echten Metallglanz zu erzielen. Wichtig: Es handelt sich hierbei nicht um massive Metalldrucke, sondern um mit Metall angereicherten Kunststoff.

Leistungssteigerer

Neben der Optik können verschiedene chemische Zusätze zur Herstellung von Hochleistungswerkstoffen eingesetzt werden. Schlagzähmodifikatoren erhöhen die Zähigkeit spröder Kunststoffe. UV-Stabilisatoren verbessern die Beständigkeit von Materialien wie PETG im Außenbereich. Flammschutzmittel werden bestimmten Filamenten beigemischt, um die Sicherheitsstandards für den Einsatz in Elektronik oder öffentlichen Bereichen zu erfüllen.

Im Inneren einer Filamentfabrik

Das Verständnis der Filamentherstellung erklärt, warum Qualität und Konsistenz für erfolgreiches Drucken so wichtig sind. Der Prozess umfasst mehrere präzise gesteuerte Schritte.

  1. Trocknung des Rohmaterials: Der Prozess beginnt mit den rohen Polymergranulaten und Additiv-Masterbatches. Wie wir bei Nylon gesehen haben, ist Feuchtigkeit der Feind. Daher werden alle Rohmaterialien zunächst mehrere Stunden in Industrietrocknern getrocknet, um jegliche Feuchtigkeit zu entfernen.
  2. Extrusion: Die getrockneten Pellets werden aus einem Trichter in einen langen, beheizten Zylinder mit einer rotierenden Schnecke eingeführt. Die Schnecke schmilzt, vermischt und komprimiert den Kunststoff und presst ihn als kontinuierlichen, geschmolzenen Strang durch eine präzisionsgefertigte, kreisrunde Düse.
  3. Kühlung und Kalibrierung: Der heiße Draht wird sofort durch ein langes Becken mit temperiertem Wasser gezogen. Dadurch kühlt er ab und verfestigt sich. Beim Verlassen des Wasserbads durchläuft er ein Zweiachsen-Lasermikrometer, das seinen Durchmesser tausendfach pro Sekunde misst.
  4. Aufspulen: Nach der Kalibrierung hält eine sogenannte Abzugsmaschine das Filament unter konstanter Spannung und zieht es mit präziser Geschwindigkeit aus dem Extruder. Diese Geschwindigkeit wird anhand der Messwerte eines Lasermikrometers kontinuierlich angepasst, um einen gleichbleibenden Durchmesser zu gewährleisten. Abschließend wird das fertige Filament sauber auf eine Spule gewickelt.

Dieser Prozess verdeutlicht, warum Präzision entscheidend ist. Ein hochwertiges Filament weist eine geringe Durchmessertoleranz auf, beispielsweise ±0,02 mm. Ein günstigeres Filament garantiert hingegen nur ±0,05 mm. Dieser scheinbar kleine Unterschied kann zu ungleichmäßiger Extrusion und damit zu schlechter Oberflächenqualität oder, schlimmer noch, zu einer Verstopfung des Hotends führen.

Verantwortungsvoll drucken

Als Hersteller müssen wir auch die gesundheitlichen und ökologischen Auswirkungen der von uns verwendeten Materialien berücksichtigen. Eine häufige Sorge ist, ob es sicher ist, diese Kunststoffe zu Hause einzuschmelzen.

Das Hauptsicherheitsrisiko besteht in der Freisetzung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) und ultrafeiner Partikel (UFPs) beim Drucken. Styrolhaltige Materialien wie ABS und ASA sind die Hauptverursacher, da sie Dämpfe freisetzen, die bei längerer Einwirkung reizend und gesundheitsschädlich sein können. Es wird daher stets empfohlen, mit diesen Materialien in einem gut belüfteten Raum zu drucken oder einen Drucker mit Gehäuse und Aktivkohle- oder HEPA-Filter zu verwenden.

Die „biologisch abbaubare“ Eigenschaft von PLA wird häufig missverstanden. Obwohl es aus Pflanzen hergestellt wird, zersetzt sich PLA weder auf einer Mülldeponie noch im heimischen Komposthaufen. Es benötigt die hohen Temperaturen und die hohe Luftfeuchtigkeit einer industriellen Kompostieranlage, um vollständig abgebaut zu werden.

Mit Blick auf die Zukunft zeichnet sich für die Branche im Jahr 2025 ein bedeutender und begrüßenswerter Wandel hin zu mehr Nachhaltigkeit ab. Filamente aus Recyclingmaterialien, insbesondere rPETG aus Post-Consumer-Kunststoffabfällen, sind zunehmend erhältlich und bieten hervorragende Qualität. Forscher und Hersteller entwickeln zudem neue Biokunststoffe und Verbundwerkstoffe, die für eine bessere Entsorgung konzipiert sind und so den ökologischen Fußabdruck unseres Hobbys verringern.

Kluge Entscheidungen treffen

Von einfachen Pellets aus Mais-Kunststoff bis hin zu komplexen, mit Kohlenstofffasern verstärkten Verbundwerkstoffen – 3D-Druckfilamente sind das Ergebnis hochentwickelter Materialwissenschaft. Das Verständnis der Formel aus Basispolymer und Additiven ist der Schlüssel zur Erschließung ihres Potenzials.

Wenn Sie wissen, woraus Ihr Filament wirklich besteht, sind Sie im Vorteil. Sie können so auf Basis von Versuch und Irrtum fundierte Entscheidungen treffen und das perfekte Material für Ihr Projekt auswählen. Sie können Druckfehler effektiver diagnostizieren – liegt das Problem bei Ihrem Nylon-Druck beispielsweise an Feuchtigkeit? Verzieht sich Ihr ABS-Druck aufgrund von Temperaturschwankungen? Vor allem aber ermöglicht es Ihnen, sicherer und verantwortungsvoller zu drucken.

Die Welt der 3D-Druckmaterialien ist riesig und entwickelt sich ständig weiter. Wenn Sie die Grundlagen ihrer Zusammensetzung verstehen, können Sie experimentieren, Rohmaterialien erforschen und daraus fertige Kreationen erstellen – und so das volle Potenzial Ihres 3D-Druckers ausschöpfen.

Häufig gestellte Fragen

Ist 3D-Druckerfilament giftig bei Berührung?

In seiner festen, aufgewickelten Form ist 3D-Druckerfilament völlig unbedenklich in der Handhabung. Die verwendeten Materialien sind stabile, feste Kunststoffe. Die gesundheitlichen Bedenken beziehen sich hauptsächlich auf die Dämpfe und Partikel, die beim Schmelzen des Filaments während des Druckvorgangs freigesetzt werden können.

Kann ich mein eigenes 3D-Druckerfilament zu Hause herstellen?

Ja, es ist möglich, mit einem Desktop-Filamentextruder eigenes Filament herzustellen. Diese Geräte verarbeiten Kunststoffgranulat (oder sogar zerkleinerte alte Drucke) zu brauchbarem Filament. Allerdings ist es sehr anspruchsvoll, den gleichen Durchmesser und die gleiche Materialqualität wie bei industriell gefertigtem Filament zu erreichen. Dies erfordert eine sorgfältige Prozesskontrolle, insbesondere hinsichtlich Feuchtigkeitsgehalt und Abkühlgeschwindigkeit.

Warum muss mein Filament trocken gehalten werden?

Viele Polymere für den 3D-Druck absorbieren Feuchtigkeit aus der Luft. Nylon ist das bekannteste Beispiel, aber auch PETG, TPU und sogar PLA können Wasser aufnehmen. Wird dieses feuchtigkeitsbeladene Filament im Hotend des Druckers schnell erhitzt, verdampft das Wasser und bildet Blasen im extrudierten Kunststoff. Dies führt zu Knallgeräuschen, schwachen und spröden Bauteilen, schlechter Schichthaftung und einer faserigen, rauen Oberfläche.

Welches ist im Jahr 2025 das umweltfreundlichste Filament?

Dies ist eine komplexe Frage. PLA wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und ist industriell kompostierbar, seine Entsorgung ist jedoch noch nicht weit verbreitet. Für viele Anwender dürfte recyceltes PETG (rPETG) ab 2025 eine der besten Optionen darstellen. Es verwendet gebrauchte Kunststoffabfälle aus Haushalten oder der Industrie, reduziert so den Bedarf an neuem, erdölbasiertem Kunststoff und entlastet Deponien – und bietet gleichzeitig hervorragende Druckergebnisse.

Beeinflusst die Farbe des Filaments seine Eigenschaften?

Ja, in gewissem Maße. Die als Farbmittel verwendeten Pigmente sind selbst Additive. Einige Pigmente, insbesondere das für deckendes Weiß verwendete Titandioxid oder der für Schwarz verwendete Ruß, können leicht abrasiv wirken und erfordern unter Umständen eine Düse aus gehärtetem Stahl für den Langzeitdruck. Sie können außerdem die optimale Drucktemperatur oder die Schmelzflusseigenschaften des Basispolymers im Vergleich zu seiner ungefärbten oder „natürlichen“ Variante geringfügig verändern.

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