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Filament im Bruch- und Qualitätstest: Was ist das Beste für den 3D-Drucker?
PLA, PLA+, PETG, ABS, ASA, PMMA, ABS-PC oder PA-CF – die Auswahl an Filament-Sorten für 3D-Drucker ist in den letzten Jahren stetig gewachsen. Doch wie unterscheiden sich die Materialien bei Druckbarkeit und Stabilität in der Praxis?
Es gibt unzählige verschiedene Filamente für FDM-Drucker. Sie unterscheiden sich in Ihrer Haptik, dem Preis, den toxischen Emissionen während der Verarbeitung, der Farbe und den mechanischen Eigenschaften. Zudem benötigen sie verschiedene Drucktemperaturen und unterscheiden sich in der Haftung am Druckbett. Doch wie groß sind die Unterschiede? Wir wollten es wissen und haben uns auf die am meisten genutzten Filamente gestürzt und sie in einem Druck- und Bruchstest verglichen.
Dieser Ratgeber gehört zu unserer Themenwelt 3D-Drucker. Hier zeigen wir Einzeltests, vergleichen Verbrauchsmaterial oder geben Tipps für kostenlose 3D-Druckvorlagen und die Erstellung von Fotos am 3D-Drucker.
In diesem Artikel geht es um die Stabiliät und Druckbarkeit unterschiedlicher Filament-Typen. Obwohl sich zusätzlich die Materialien der verschiedenen Hersteller unterscheiden, hilft dieser Test bei einer vernünftigen Einschätzung der Eigenschaften.
Testfeld
In der Theorie ist die Stabilität des Materials einfach vorauszusagen. In der Praxis sieht das allerdings oft anders aus. Da hilft nur ein ehrlicher, solider Bruchtest mit verschiedenen selbst gedruckten Teilen. Und das natürlich mit solchen Druckern, die auch im Hobbykeller stehen. Der Filament-Hersteller Material4Print fand unsere Idee gut und hat uns mit den gängigsten Filament-Typen PLA, PLA+, PETG, ABS, ASA, PMMA und ABS-PC versorgt. Um die Testreihe der Standard-Filamente komplett zu machen, haben wir uns zusätzlich noch für den Platz 1 des PLA Filamenttests von von GST3D und ein Nylon-Carbon-Filament von Fiberlogy entschieden.
Alle FDM-3D-Druck-Materialien sind Thermoplaste, das heißt, sie können ab einem bestimmten Temperaturbereich verformt und verarbeitet werden. Genau da liegt auch der größte Haken, schließlich dürfen sich etwa Funktionsteile nicht einfach in der Sonne verformen. Ein hitzeresistenteres Filament ist allerdings schwieriger zu drucken, da höhere Temperaturen gefahren werden müssen, um es zu schmelzen. Es schrumpft auch schneller während des Abkühlens. Folge sind teils massive Haftungsprobleme am Druckbett bis hin zu Spannungsrissen im Modell. Wer das vermeiden will, sollte auf 3D-Drucker mit geschlossenem Bauraum setzen, oder den Drucker in ein Gehäuse platzieren. PLA, PLA+ oder etwa PETG lassen sich auch mit offenen Druckern problemlos verarbeiten.
PLA
Der Schmelzpunkt von PLA liegt bei nur 180 Grad. Das Material hat eine geringe Schmelz- und Verformungstemperatur, geringe Schrumpfung, überschaubare Fädenbildung, ist biologisch abbaubar und günstig.
Das universell einsetzbare PLA ist das meistverkaufte 3D-Druck-Material. Der Grundstoff wird aus Maisstärke gewonnen. Somit ist es ein nachhaltiger Kunststoff, da er nicht wie all seine Kollegen aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird. Biologisch abbaubar ist PLA jedoch nicht auf dem eigenen Komposthaufen, da die Hersteller verschiedene Stoffe beigeben. Es kann aber in industriellen Kompostieranlagen in einem halben Jahr bis zu 80% zersetzt werden, was zumindest ein guter Anfang ist.
Aufgrund der niedrigen Glasübergangstemperatur benötigt das Druckbett lediglich 55 bis 60 Grad. Außerdem ist das Fließverhalten perfekt für den FDM-Druck geeignet, mit PLA gibt es fast kein Stringing, sprich Fäden zwischen den Druckspitzen. Größter Haken des Materials: Es verformt sich schon ab 60 Grad und die süßlichen Dämpfe sind leider nicht gesund. Die Stabilität von PLA ist laut Datenblatt verhältnismäßig gering.
PLA+
PLA+ hat einen Schmelzpunkt von 180 bis 215 Grad und ist formstabil bis maximal 65 Grad (variiert nach Hersteller).
PLA+ ist eine Mischung aus mindestens 60% PLA und verschiedenen Additiven. Diese Additive können Füllstoffe oder kleine Mengen anderer Thermoplaste sein. Zum Beispiel verbessert Calciumcarbonat die mechanische Leistung von PLA. Diese Filamente besitzen noch immer das einfache Druckverhalten von PLA. Auf der anderen Seite können sie aber schlagzäher, hitzeresistenter oder bruchsicherer sein.
PETG
Der Schmelzpunkt von PETG liegt bei etwa 200 bis 230 Grad. Formstabil ist das Material bis maximal 70 Grad.
PETG ist ein mit Glykol modifizierter Kunststoff aus PET. Aus PET werden zum Beispiel Einweg-Trinkflaschen hergestellt - jeder weiß, wie unverwüstlich die sind. Durch die Modifikation ist der Kunststoff PETG noch transparenter und viskoser, somit leichter druckbar. PETG gilt als eines der emissionsärmsten Filamente. Es ist härter und zugleich zäher als PLA. Wenn erhöhte Temperaturen oder größere mechanische Belastung gefordert sind, wird PETG gerne als Ersatz für PLA genommen. Ein häufiges Problem beim Druck des Materials sind dünne Fäden zwischen den Druckteilen, das sogenannte Stringing.
ABS
Bei ABS liegt der Schmelzpunkt bei etwa 220 Grad. Das Material ist formstabil bis 95 Grad und somit auch gut für Funktionsteile geeignet.
ABS ist das Standard-Arbeitstier unter den Filamenten. Fakt ist: Viele Plastikteile in Autos sind aus ABS gefertigt. Das Material ist die erste Wahl, wenn die Bauteile stabil sein sollen und auch mal über 60 Grad Hitze ausgesetzt sind.
ASA
Der Schmelzpunkt von ASA liegt bei etwa 240 bis 260 Grad. Das Material ist wie ABS bis 95 Grad formstabil.
ASA ist noch wenig verbreitet im Bereich des Hobby-3D-Drucks, hat aber einen großen Vorteil gegenüber ABS: Das Material ist lichtbeständig. Das UV-Licht der Sonne kann den Kunststoff nicht zerstören – wichtig für alle 3D-Druckteile, die im Außenbereich eingesetzt werden sollen.
PMMA
Bei PMMA liegt der Schmelzpunkt zwischen 210 und 240 Grad. Bis zu einer Temperatur von rund 90 Grad ist das Filament formstabil.
Auch bekannt als Acrylglas, wird dieses Material vor allem für Teile verwendet, bei denen Lichtechtheit eine Rolle spielt. Es ist vergilbungsfrei.
ABS-PC
Bei ABS-PC liegt der Schmelzpunkt bei hohen 260-290 Grad. Dafür ist die Materialmischung formstabil bis maximal 122 Grad.
ABS kennen wir ja bereits, PC steht für Polycarbonate. Die Materialeigenschaften dieses Misch-Typs sind extrem. Nicht nur die hohe Wärmeformbeständigkeit bis 122 Grad sprechen für ABS-PC. Auch Schlag- und Stoßfestigkeit, Beständigkeit gegen Benzin, UV-Stabilität und hohe Oberflächenhärte sind Vorteile von ABS-PC. Als unser ABS-PC Benchy fertig war und zum ersten Mal in unseren Händen lag, spürt man augenblicklich die ungewohnte Härte der Oberfläche. Da kann man sich gut vorstellen, dass Teile aus ABS-PC oder PC sich sehr gut für mechanische Bauteile eigen.
PA-CF
Der Schmelzpunkt von PA-CF (Nylon-Carbon) ist mit 255-270 Grad verhältnismäßig hoch, das Filament ist bis rund 100 Grad formstabil.
Aus Nylon bestehen etwa Kabelbinder. Es widersteht sehr gut Abrieb und Verschleiß und eignet sich so hervorragend für stärker beanspruchte Formteile. Carbon ist ebenfalls für seine Stabilität bekannt und so ist PA-CF ein sehr zähes Material mit sehr hoher Festigkeit und Steifigkeit.
Aufgabenstellung und Testablauf
Die Aufgabenstellung für die Testreihe ist schnell erklärt.
- Wie schwierig ist es für einen Laien, verschiedene Filament-Typen zu verarbeiten?
- Was halten die ausgedruckten Wandhaken aus, bevor sie brechen?
Die Funktionsteile für die Bruchtests wurden alle auf demselben Drucker, einem Qidi X Max (Testbericht), mit Hochtemperatur-Extruder verarbeitet. Alle wurden mit derselben Ausrichtung, Konturenanzahl und Infill-Dichte gedruckt. Die Benchys zur Einschätzung des Druckbildes wurden an einem modifizierten Creality Cr-10s (Bestenliste FDM-Drucker) mit Micro Swiss Hot End und doppelter Bauteilkühlung gedruckt.
Druckverhalten
Wir konnten die Sorten PLA, PLA+ und PETG problemlos ohne Haftmittel drucken. Bei ABS, ASA und PMMA reichte Polyvinylacetat oder Holzleim als Haftmittel. Für ABS-PC und vor allem für Nylon-Carbon mussten wir das Haftmittel Magigoo verwenden. Diese Haftmittel Serie hat perfekt abgestimmte Mittel für jedes Material. Nylon-Carbon hätten wir ohne den Haftvermittler nicht drucken können. Das Druckverhalten der Filamente ist erwartungsgemäß sehr unterschiedlich.
PLA und PLA+ ließen sich völlig problemlos drucken und sind daher zu Recht die beliebtesten Filament-Typen. Während des Drucks entsteht ein leicht süßlicher Geruch, der allerdings nicht gesund ist.
PETG hat ein minimales Schrumpfverhalten und lässt sich mit angepassten Druckeinstellungen weitgehend problemlos verarbeiten. Wir konnten während des Tests keine Geruchsentwicklung durch PETG feststellen - sehr angenehm.
ABS hat sehr gute Druckeigenschaften gezeigt – was allerdings auch dem geschlossenen Bauraum und der guten Haftung der Druckplatte des Qidi-Druckers zu verdanken ist. Mit etwas Holzleim konnten wir großartige Ergebnisse erzielen. Bei offenem Bauraum kommt es erfahrungsgemäß schnell zu Haftungsproblemen. Die Supports der fertigen Drucke ließen sich einfach und ohne große Rückstände lösen. Während des Druckvorgangs stinkt es nach verbranntem Kunststoff.
ASA haftet vergleichbar gut wie ABS. Doch das Druckbild ist durch die höhere Drucktemperatur insgesamt unsauberer. Überhänge fallen mehr ab, das Filament sackt schneller weg. Wir haben die Geschwindigkeit gedrosselt und den Lüfter minimal dazu geschaltet, dadurch wurde die Druckgenauigkeit enorm verbessert. Während des Drucks stinkt es genauso wie bei ABS nach verbranntem Kunststoff.
PMMA ist etwas schwerer in den Griff zu bekommen als ASA. Auch hier mussten wir für gute Ergebnisse mit der Geschwindigkeit und Lüfterdrehzahl rumprobieren. Zudem schrumpft das Filament mehr und die Druckbetthaftung ist geringer, weshalb wir mindestens zu Holzleim greifen würden. Wir empfehlen aber schon hier spezielle Haftmitteln wie die von Magigoo. Nachdem PMMA letztlich Acrylglas ist, stinkt es genauso wie verbranntes Acrylglas und damit ähnlich wie ABS und ASA.
ABS-PC ist alles andere als einfach zu drucken. Das Material schrumpft sehr stark während des Abkühlens. Mit unseren privaten Haftmitteln sind wir hier schnell an die Grenze gekommen, konnten es dann aber mit dem für den Test bestellten Magigoo-Haftvermittler erfolgreich verarbeiten. Das verbrannte Material an der Düse bleibt zudem immer wieder am Druck hängen. Dadurch hat das fertige Modell unschöne braune Schlieren im Druckbild. Weiß war hier definitiv nicht die beste Wahl. Bei der Verarbeitung stinkt es auch hier nach verbranntem Kunststoff.
Das PA-CF (Nylon-Carbon) hatte uns schon vor diesen Tests regelrecht in den Wahnsinn getrieben. Es weigerte sich standhaft, auf dem Heizbett zu haften. Nach langer Recherche fanden wir dann das auch bei ABS-PC eingesetzte Haftmittel Magigoo. Damit konnten wir das widerspenstige Nylon-Carbon endlich verarbeiten. Das Benchy ist allerdings eher grob geworden. Auch der für den Bruchtest ausgedruckte Wandhaken ist stark geschrumpft und keine Schönheit. Immerhin konnten wir den Druck fertigstellen. Wir fanden nach den Tests allerdings heraus, dass das verwendete Nylon-Carbon von Fiberlogy nicht den besten Ruf genießt. Es soll also Nylon-Carbon geben, welches einfacher zu drucken ist.
Nun die Aufnahmen unserer Test-Benchys. Zugegebenermaßen ließen sich die Settings hier etwa bei PLA noch verbessern, für den Test ist das Ergebnis ausreichend.
Benchy aus PLA
Benchy aus PLA+
Benchy aus PETG
Benchy aus ABS
Benchy aus ASA
Benchy aus PMMA
Benchy aus ABS-PC
Benchy aus Nylon-Carbon
Bruchtest
Nun kommen wir zur Auswertung unserer Bruchtests. Da wir uns für eine Ausrichtung entschieden hatten, haben wir die Haken alle längsseitig gedruckt. Zusätzlich wurden drei Materialproben quer verdruckt. Anschließend haben wir die Wandhaken verschraubt und Gewichte daran gehängt. Die Belastung wurde schrittweise angehoben, bis das Material mit teils lautem Knall und umherfliegenden Splittern nachgab. Wer einen ähnlichen Bruchtest plant, sollte unbedingt mit Schutzbrille arbeiten! Nun unsere Messwerte der Belastungstests:
| Material | Stabilität längs gedruckt - Layer senkrecht zur Wand | Stabilität quer gedruckt - Layer parallel zur Wand |
|---|---|---|
| PLA | 49 KG | 17,5 kg |
| PLA+ | 67 KG | |
| PETG | 28 KG | 10 kg |
| ABS | 32 KG | 25 kg |
| ASA | 39 KG | |
| PMMA | 63 KG | |
| ABS-PC | 72 KG | |
| PA-CF | 52 KG |
Das Ergebnis bestätigt zwar einige Vermutungen, es gibt allerdings eine echte Überraschung. Das stärkste und stabilste Filament ist, wie vermutet, ABS-PC, was sich auch bei den Messungen eindrucksvoll bestätigt. Mit erstaunlich geringem Unterschied folgt dann aber bereits PLA+. Überraschend, gilt PLA generell doch als wenig belastbar. Das sehr einfach zu verarbeitende Material hätten wir deutlich weiter hinten gesehen. Hier sieht man, welchen Unterschied Additive ausmachen können.
Anschließend folgen PMMA, PA-CF und ASA. Wir vermuten, dass manche Filamente, die in der Theorie hätten stabiler sein sollen, aufgrund des Druckverhaltens schlechter abschneiden. Das liegt etwa an der Layer-Haftung untereinander oder dem Abkühlverhalten. Die Materialeigenschaften können viel besser sein, aber das fertig gedruckte Teil aus zusammenhängenden Einzelschichten ist eben noch mal eine ganz andere Nummer.
Wir sehen allerdings auch, dass sie Ausrichtung einen großen Einfluss hat. Quer gedruckte Teile haben in den Tests wesentlich mehr ausgehalten als die längsseitig gedruckten Exemplare. Von der Haptik der angeschraubten Winkel und der Benchys hätten wir hier übrigens ganz andere Werte erwartet.
Preise
Wir beginnen mit den einfacher zu verarbeitenden Filament-Arten, die sich auch mit offenem Gehäuse verarbeiten lassen.
Die folgenden Filament-Typen sind deutlich anspruchsvoller. Hier raten wir zu geschlossenem Bauraum und Haftmittel.
Fazit
Die unschöne Wahrheit: Es gibt nicht das eine, beste Filament für alles. Die richtige Wahl des Materials ist immer ein Abwägen der unterschiedlichen Anforderungen, ein Kompromiss zwischen Druckbarkeit und den bestmöglichen Materialeigenschaften.
Doch es gibt gute Nachrichten, denn auch mit 3D-Druckern aus dem Hobby-Bereich bekommt man anspruchsvolle Filament-Sorten in den Griff – die richtigen Settings und entsprechende Haftmittel vorausgesetzt. Das Haftmittel Magigoo gehört deshalb ab jetzt zur festen Ausstattung unserer Werkstatt.
Zudem zeigt der Bruchtest, dass sich selbst mit dem günstigen und völlig unkompliziert druckbaren PLA+ sehr stabile Ergebnisse erzielen lassen – vorausgesetzt, es geht nicht um hohe Hitzebeständigkeit. Hier wäre dann etwa PETG besser geeignet – bei ASA oder etwa ABS sollte der Drucker über einen geschlossenen Bauraum verfügen, hier sind unter anderem die getesteten 3D-Drucker von Hersteller Qidi geeignet.
Nur wer auf spezielle Eigenschaften wie eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit, UV-Stabilität oder Beständigkeit gegen Benzin Wert legt, muss tatsächlich zu den anspruchsvolleren Filament-Sorten wie PMMA, ABS-PC oder Nylon-Carbon greifen. Hier sollte man immer beachten, ob der eigene Drucker die geforderten Temperaturen überhaupt liefern kann.
Weitere Materialtests, Ratgeber und Einzeltests von FDM- und SLA-Druckern zeigen wir in unserer Themenwelt 3D-Drucker.
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