Filament vs. Pellets: Welche Art von Kunststoff sollte man beim 3D-Druck wählen?

Kunststoffe sind zweifellos eine der am häufigsten verwendeten Materialfamilien in der additiven Fertigung. Sie sind mit einer Vielzahl von Verfahren kompatibel und bieten eine Vielzahl von Eigenschaften und Merkmalen für gefertigte Teile – von Prototypen und Werkzeugen bis hin zu Endprodukten. Sie sind in verschiedenen Formen erhältlich – Filamente, Granulate, Pulver, Harze – und erfüllen die Bedürfnisse und Anforderungen von Herstellern aller Branchen. Nachdem wir vor einigen Monaten Pulver und Harze verglichen haben, ist es nun an der Zeit, zwei weitere Polymerfamilien, nämlich Filamente und Pellets (oder Granulat), näher zu betrachten. Was sind ihre Eigenschaften und Anwendungen? Mit welchen 3D-Druckverfahren sind sie kompatibel? Welche Hersteller sind auf dem Markt und wie teuer sind diese Materialien? Entdecken Sie alles, was Sie wissen müssen, wenn es um Filament vs. Pellets geht!

Filamente und Pellets sind zwei Materialformen, die derzeit mit der additiven Fertigung kompatibel sind. Obwohl es mittlerweile Lösungen aus Metall und Keramik gibt, konzentrieren wir uns hier nur auf Kunststoffe. Zunächst einmal ist es notwendig, auf die Definition von Kunststoffpellets und Kunststofffilament einzugehen. Pellets, oder Kunststoffgranulat, sind kleine Kügelchen mit einem Durchmesser von 0,5 cm, die geschmolzen, geformt oder extrudiert werden können, um alle Arten von Kunststoffgegenständen herzustellen. Kunststoffpellets sind daher ein Schlüsselelement in der chemischen Industrie. Sie können mithilfe spezieller Maschinen in der additiven Fertigung eingesetzt werden. Filament wiederum ist ein Thermoplast, der durch Mischen von Kunststoffgranulat oder zerkleinerten Kunststoffspänen mit verschiedenen Zusatzstoffen hergestellt wird. Die Verwendung eines Filament-Extruders ist notwendig, um das typisch schlauchartige Aussehen zu erhalten. Nach mehreren Abkühlungsschritten durchläuft das Filament einen Wickler, um am Ende eine Spule zu erhalten, die dann in den 3D-Drucker eingesetzt wird.

Um Filament für 3D-Drucker herzustellen, benötigt man Kunststoffgranulat (Bild: Capifil)

Eigenschaften der Materialien

Die Herstellung von Kunststoffen ist ein riesiger Markt mit steigenden Zahlen in den letzten Jahren, sei es in Bezug auf die Herstellung, die Beschäftigten in der Branche oder auch die Investitionen. Kunststoffe sind nach Verlassen der Raffinerie in verschiedenen Formen erhältlich: in flüssiger From, als Pulver oder Granulat. In jedem Fall werden sie dann in Form gebracht, um alle Arten von Teilen herzustellen, sei es durch Gießen, Spritzgießen, Thermoformen und natürlich Extrusion. Wenn wir uns zunächst mit industriellen Kunststoffgranulaten beschäftigen, müssen wir wissen, dass es extrem viele davon auf dem Markt gibt und sie je nach ihrer chemischen Zusammensetzung eine Vielzahl von Eigenschaften und Merkmalen bieten. Sie können auch verschiedene Farben haben.

Industrielle Pellets sind eine Mischung aus dem Polymer selbst und chemischen Zusätzen. Bei der Herstellung werden verschiedene Polymere verwendet, hauptsächlich Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyethylenterephthalat (PET), Polystyrol (PS) oder auch PVC. Je nachdem, welches Kunststoffgranulat man wählt, erhält man natürlich ganz unterschiedliche mechanische und chemische Eigenschaften.

Kunststoffgranulate sind auf dem Markt weithin verfügbar (Bild: DEKRA Industrial)

Einer der Vorteile von Pellets beim 3D-Druck ist, dass Pellets bereits in traditionelleren Fertigungstechnologien wie dem Spritzguss verwendet werden. Das heißt, wenn Sie ein Material verwenden, das für die additive Fertigung qualifiziert ist, können Sie das gleiche Material verwenden, wenn Sie auf Spritzguss umsteigen, ohne eine weitere Qualifizierungsstufe durchlaufen zu müssen. Dies ist ein großer Vorteil, der bei der Herstellung von Prototypen aus „richtigem Material“ sehr geschätzt wird, aber auch bei der Herstellung von Fertigteilen aus Materialien, die von der Industrie bereits anerkannt sind.

Wenn wir uns nun mit Filamenten beschäftigen, ist ihr Herstellungsprozess langwieriger, denn es geht darum, das Kunststoffgranulat in Schläuche zu verwandeln, die extrudiert werden können. Es sind also mehrere Schritte erforderlich: Zunächst wird dem Granulat die Feuchtigkeit entzogen. Dann wird es geschmolzen, damit es durch einen Extruder gepresst werden kann, der dem Filament sein röhrenförmiges Aussehen verleiht. Nach dem Formen wird das Filament in geeigneten Bädern abgekühlt. Anschließend wird es auf eine Spule gewickelt, um es in einem 3D-Drucker zu verwenden.

Bei diesem Prozess der Umwandlung von Pellets in Filament ist zu beachten, dass Zusatzstoffe hinzugefügt werden, die das Rohmaterial zwangsläufig verändern. Wenn Sie ein Filament zum 3D-Drucken eines Teils verwenden, müssen Sie einen weiteren Schritt unternehmen, um das Material zu qualifizieren. Was kompatible Kunststoffe betrifft, so wird man verschiedene Arten von Polymeren finden, von PLA über ABS bis hin zu Elastomeren und Hochleistungskunststoffen wie PEEK oder PEI. Je nach gewähltem Filament werden die Eigenschaften des Teils unterschiedlich sein: Wenn man Transparenz sucht, wird man sich eher für Polycarbonat entscheiden, während man PEEK wählen wird, wenn man mechanische Festigkeit wünscht.

Beachten Sie, dass einige Kunststoffe aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung schwerer zu Filament zu verarbeiten sind: Man hat also eine größere Auswahl an Materialien, wenn man sich für den 3D-Druck mit Pellets statt Filament entscheidet.

KIMYA Fabrik zur Herstellung von Filamenten (Bild: Hervé Boutet)

Kompatibles 3D-Druckverfahren

Ob Sie sich nun für Pellets oder Filament entscheiden, das bevorzugte Druckverfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM/FFF) bzw. FGF beim Pellet-Druck. Das Prinzip ist im Grunde das gleiche: Das Kunststoffmaterial wird erhitzt, durch einen Extruder gepresst und dann Schicht für Schicht auf eine Platte aufgetragen, um das endgültige Objekt zu formen. Der Unterschied liegt im Werkzeug, das für die Extrusion verwendet wird.

Bei Filamenten verwenden 3D-Drucker einen Extruder mit einem Schrittmotor und einem Zahnrad, mit dem das Filament vor- und zurückbewegt wird. Am Ende dieses Feeders befindet sich ein Heizblock, der, wie der Name schon sagt, das Material erhitzt. Dieses wird dann durch eine Düse mit einem Durchmesser zwischen 0,4 und 0,8 mm geleitet, die sich bewegt, um das Filament auf die Platte zu legen. Je nachdem, welches Material Sie verwenden, benötigen Sie eine Messing- oder Kupferdüse, ein beheiztes Gehäuse, eine beheizte Platte und so weiter. Es ist insbesondere das Thermoplast, das die Art der benötigten Maschine und Ihre Druckparameter bestimmt.

Bei Pellets ist der Extrusionsprozess etwas anders: Der 3D-Drucker verwendet nämlich ein Trichtersystem, das die Kunststoffkügelchen aufnimmt und sie in den Schmelzbereich schiebt. Die Pellets werden dann aufgeweicht und von der Düse ausgestoßen, die dann das Material Schicht für Schicht auf die Druckplatte auftragen kann. Die Düse kann verschiedene Durchmesser haben, die in der Regel größer sind als bei FDM-3D-Druckern, die mit Filamenten arbeiten. Schließlich kann diese Art von Extrusionssystem auch auf Roboterarmen installiert werden, um eine größere Druckfläche und Flexibilität zu bieten.

Das Extrusionssystem für Kunststoffgranulate ist anders als das für Filamente (Bild: Pollen AM)

Die Verwendung von Pellets ermöglicht höhere Ablagerungsgeschwindigkeiten als die Verwendung eines Filaments und auch größere Volumina. Die Genauigkeit und die Auflösung sind jedoch geringer. Der 3D-Druck mit Pellets sollte daher für großformatige Teile bevorzugt werden, da die Filamentspule nicht gewechselt werden muss und die Maschine in der Lage ist, eine größere Menge ohne Unterbrechung zu extrudieren. Beachten Sie jedoch, dass ein herkömmlicher Pellet-3D-Drucker das Material nicht schrumpfen kann, was dazu führen kann, dass mehr Kunststoff aus der Düse fließt als bei einer FDM-Maschine. Um den Materialfluss zu unterbrechen, müsste die Düse angehalten oder blockiert werden. Für komplexere und detailliertere Teile ist der 3D-Druck von Filamenten daher besser geeignet.

Anwendungen von Filamenten oder Pellets im 3D-Druck

Insgesamt sind die Anwendungen des 3D-Drucks von Pellets oder Filamenten recht ähnlich: Prototypen, Werkzeuge, fertige Teile – das Spektrum ist groß. Es gibt jedoch einige wesentliche Unterschiede, die Sie beachten sollten, bevor Sie sich für das eine oder das andere entscheiden.

Auf der einen Seite bieten Filamente aufgrund ihrer Vielseitigkeit und ihrer Verfügbarkeit auf dem Markt eine große Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten. Sie eignen sich gut für die Herstellung kleinerer Teile, aber auch für Projekte, die ein gewisses Maß an Detailgenauigkeit und Präzision erfordern. Filamente werden häufig im Bereich der schnellen Prototypenherstellung eingesetzt, die es Designern und Ingenieuren ermöglicht, Modelle zu erstellen und mehrfach zu testen, um Konzepte vor der endgültigen Produktion zu bewerten. Je nach den Eigenschaften des jeweiligen Filaments können Teile für die Automobil-, Luftfahrt-, Lebensmittel- und Medizinindustrie usw. entworfen werden. Einige Thermoplaste sind sogar feuer- und rauchbeständig, andere sind biokompatibel, manche werden mit Kohlenstofffasern verstärkt, um widerstandsfähiger zu sein, aber dennoch ein geringes Gewicht zu haben.

Steam-Sessel, entworfen von Slicelab und mit PETG-Granulat auf dem 3D-Drucker EXT 1270 Titan Pellet gedruckt

Wenn man sich im Gegensatz dazu Pellets ansieht, ist besonders interessant, dass man durch das Mischen verschiedener Kunststoffarten maßgeschneiderte Rezepturen erstellen kann. Diese Vielseitigkeit eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Gesundheitssektor, wo biokompatible Materialien für die Herstellung von maßgeschneiderten Prothesen und Implantaten entwickelt werden können. In der Automobilbranche werden Granulate zur Herstellung von kundenspezifischen Teilen wie Armaturenbrettelementen, Kabelträgern, Motorabdeckungen und mechanischen Komponenten verwendet, wodurch der Entwicklungsprozess beschleunigt und die Kosten gesenkt werden. Pellets werden auch in der Designbranche geschätzt, um größere Möbel und Dekorationsgegenstände herzustellen. Schließlich ist es auch möglich, Pellets aus recycelten Materialien herzustellen, was die Kreislaufwirtschaft fördert, die in unserer heutigen Gesellschaft von großer Bedeutung ist. Dasselbe recycelte Granulat kann auch zur Herstellung von Filamenten verwendet werden.

Schließlich ist die Verwendung von Pellets bei der additiven Fertigung, wie bereits erwähnt, besonders für die Materialprototypisierung interessant. Da das Rohmaterial beim 3D-Druck und beim Spritzguss das gleiche ist, kann ein Betreiber seine Prototypen in 3D drucken, sie vor der Serienproduktion testen und zertifizieren lassen, ohne zusätzliche Zertifizierungsschritte durchlaufen zu müssen. Das ist eine erhebliche Zeitersparnis für die Industrie.

Preis

Filamente sind auf dem Markt weitgehend verfügbar und für Anfänger häufiger erschwinglich. Sie werden in Form von Spulen verkauft, die in der Regel 750 Gramm wiegen, was ihre Verwaltung und Lagerung vereinfacht. Die Preise variieren je nach Art des Filaments, aber im Allgemeinen können Sie eine Spule mit PLA, einem der beliebtesten Materialien, für etwa 20 bis 30 Euro erwerben. Einige speziellere Filamente, wie flexibles Filament oder Verbundmaterial, können jedoch teurer sein und zwischen 30 und 50 Euro pro Spule kosten. Wenn Sie außerdem häufig große Objekte drucken, können die Kosten für Filamente schnell ansteigen.

Pellets werden im Gegensatz zu Filamenten meist in Säcken von mehreren Kilogramm verkauft, sodass Sie eine große Menge des Materials auf einmal kaufen können. Dies kann eine höhere Anfangsinvestition bedeuten, da die Preise für Granulatsäcke je nach Kunststoffart und Menge von 50 bis 100 Euro oder mehr reichen können. Aus rein finanzieller Sicht überwiegen Pellets oftmals gegenüber Filamenten. Der Kilopreis von Pellets ist günstiger als der von Filamenten, was hauptsächlich auf den Verarbeitungsprozess zurückzuführen ist, der zur Herstellung von Pellets erforderlich ist. Andererseits kann es für einen Nutzer, der eine kleine Menge Kunststoffgranulat kaufen möchte, schwierig sein, die gewünschte Menge zu finden.

Sie sollten also bedenken, dass der anfängliche Preis für Pellets aufgrund des Großeinkaufs zwar höher erscheinen mag, für Vielnutzer von 3D-Druckern langfristig jedoch günstiger sein kann. Dies hängt natürlich von Ihren Bedürfnissen und Ihrem Budget ab.

Eine Spule Filament bleibt relativ erschwinglich (Bild: La Nouvelle Ecole)

Hersteller

Auf dem Markt für 3D-Druck gibt es eine Vielzahl von Herstellern von Filamenten und Pellets, von denen jeder seinen Beitrag zu dieser schnell wachsenden Branche leistet. Wie bereits erläutert, werden Filamente aufgrund ihrer einfachen Handhabung und Erschwinglichkeit weithin geschätzt. Unternehmen wie Polymaker, 3DXtech, 3D4Makers, Nanovia und ColorFabb bieten eine breite Palette an hochwertigen Filamenten an, von PLA über ABS bis hin zu PETG. Die großen Chemie-Unternehmen tragen einen großen Teil zu dieser Industrie bei, wobei einige von ihnen ihre eigenen Filamentmarken entwickelt haben, wie z. B. BASF oder Evonik. 

Auf der Seite der Kunststoffgranulate sind die Hersteller tendenziell eher Chemiekonzerne – Arkema oder SABIC, um nur zwei zu nennen. Es gibt aber auch Akteure wie Felfil, 3DXtech oder Xtellar. Einige haben sich sogar auf die Herstellung von Kunststoffgranulat aus wiederverwerteten Abfällen spezialisiert, wie das amerikanische Unternehmen re3D, wieder andere stellen sowohl  Pellet als auch Filamente her, zum Beispiel KIMYA.

Wenn wir uns schließlich die Hersteller von Maschinen ansehen, die mit dieser Art von Kunststoff kompatibel sind, sollten Sie wissen, dass es eine große Auswahl gibt, insbesondere bei den Filamenten. Es gibt historische Akteure wie Stratasys, UltiMaker oder Zortrax. Immer mehr Akteure drängen auf den Markt und bieten Desktop-Drucker, professionelle Drucker oder industrielle Drucker an. Wenn Sie sich für Unternehmen aus der DACH-Region interessieren, haben wir HIER eine Liste von FDM/FFF-Herstellern für Sie zusammengestellt. Auf der Granulatseite sind die Hersteller Arburg und Pollen AM zu nennen, aber auch 3D Systems, das 2022 die Firma Titan Robotics aufgekauft hat, oder AIM3D. Dies sind natürlich nur einige Beispiele, die Liste könnte noch verlängert werden.

Bild: 3Dnatives

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass beide Kunststoffarten Produktionsvorteile bieten, die sich gut für unterschiedliche Fertigungssituationen eignen. Achten Sie darauf, dass Sie das richtige Material verwenden, um die Effizienz Ihres additiven Fertigungsprozesses zu maximieren!

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