Flexibler Kunststoff im 3D-Druck: Materialien, Rohstoffe, Harze und Formulierungen

Um mit flexibler Materialien im 3D-Druck erfolgreich zu arbeiten, ist es entscheidend, ihre wichtigsten mechanischen Eigenschaften zu kennen: Dehnung, Weiterreissfestigkeit, E-Modulus und Zugfestigkeit.

• Dehnung (Elongation at Break) beschreibt, wie weit sich ein Material ausdehnen kann, bevor es reisst – angegeben als Prozentsatz der ursprünglichen Länge. Hohe Dehnung bedeutet mehr Flexibilität.
   
• Weiterreissfestigkeit (Tear Strength) zeigt, wie gut ein Material der Ausbreitung eines Risses widersteht, sobald dieser einmal entstanden ist. Besonders wichtig für Teile, die häufig gebogen oder belastet werden.

• E-Modulus (Steifigkeit) definiert den Widerstand gegen Verformung. Ein niedriger E-Modulus steht für ein weiches, geschmeidiges Material; ein hoher E-Modulus für ein steiferes.
   
• Zugfestigkeit ist die maximale Kraft, die ein Material beim Dehnen aushält, bevor es bricht – ein Schlüsselwert für die strukturelle Stabilität.

Diese Kennwerte stehen in direkter Wechselwirkung: Sehr hohe Dehnung geht oft mit niedrigerer Weiterreissfestigkeit einher. Das richtige Gleichgewicht lässt sich nicht verallgemeinern, es hängt immer von der konkreten Anwendung ab. Shore-Härte ist ein weiterer praxisrelevanter Wert: Shore-A-Werte unter 50 entsprechen weichen, gummiartigen Materialien, während Werte über 80 Shore A deutlich steifere, aber noch flexible Kunststoffe beschreiben.

Für UV-härtende flexible Kunststoffe stehen drei eng verwandte Druckverfahren im Vordergrund – alle basieren auf dem Prinzip der schichtweisen Photopolymerisation:

• SLA (Stereolithografie) nutzt einen fokussierten Laserstrahl, der das Harz Punkt für Punkt aushärtet. Die hohe Präzision macht SLA besonders geeignet für filigrane flexible Bauteile mit gleichmässiger Aushärtungstiefe.
   

• DLP (Digital Light Processing) belichtet eine gesamte Schicht gleichzeitig über einen digitalen Projektor. Schnellere Druckzeiten bei vergleichbarer Auflösung – ideal für die Serienproduktion flexibler Teile.

• MSLA (Masked SLA / LCD-Druck) verwendet ein LCD-Display als Maske. Kostengünstigere Einstiegsoption mit breiter Druckerkompatibilität, die besonders für die Formulierungsentwicklung und das Testen neuer flexibler Harze attraktiv ist.

Alle drei Verfahren stellen unterschiedliche Anforderungen an die Formulierung: Viskosität, Reaktivität, Aushärtungstiefe und Schrumpfung müssen auf das jeweilige System abgestimmt sein. Genau hier setzt die Rohstoffentwicklung von RAHN AG an – mit Oligomeren und Additiven, die über alle drei Plattformen hinweg zuverlässig performen.

Flexible 3D-Druckmaterialien lassen sich so abstimmen, dass sie entweder die Elastizität oder die Zähigkeit in den Vordergrund stellen – je nach Anforderungen der späteren Anwendung. Ein Blick auf zwei typische Rezepturen:

• Elastische Formulierung: Eine Mischung aus 93 % GENOMER* 3135, 5 % GENOMER* 5695 und einem Photoinitiator erreicht eine gute Dehnung (75 %) und eine zuverlässige Druckbarkeit. Diese Kombination setzt auf Weichheit und Dehnbarkeit – ideal für Anwendungen wie weiche Komponenten oder flexible Dichtungen, bei denen hohe Flexibilität, Komfort und Oberflächenanpassung entscheidend sind.

• Zähe Formulierung: Für Anwendungen, die mehr Steifigkeit und Stärke verlangen, bietet sich eine Rezeptur auf Basis von GENOMER* 4212 in Kombination mit ACMO an. Sie erreicht eine geringere Dehnung, dafür aber sehr hohe Schlagzähigkeit, Tensile Modulus und Zugfestigkeit. Perfekt für Teile, die mechanischer Belastung standhalten müssen und dennoch ein gewisses Mass an Flexibilität behalten sollen – etwa PP-ähnliche Bauteile oder robuste Wearables.

Durch das Anpassen der Monomer-/Oligomerstruktur und Additiven können Anwender Rezepturen feinjustieren, um die gewünschte Performance zu erreichen – egal ob der Fokus stärker auf Weichheit und Dehnbarkeit oder auf Robustheit und struktureller Stabilität liegt.

Design-Richtlinien

• Wandstärke: Verwenden Sie dickere Wände (typischerweise ≥ 1,5 mm) für mehr Stabilität. Achten Sie jedoch darauf, die Geometrien nicht zu starr zu gestalten, damit die Flexibilität erhalten bleibt.

• Stützstrukturen: Setzen Sie auf minimale, leicht entfernbare Supports. Da flexible Materialien beim Entfernen leicht verformen, sollten Kontaktpunkte möglichst reduziert werden.
• Infill-Strategien: Nutzen Sie niedrige bis mittlere Füllgrade (ca. 20–40 %) mit flexiblen Mustern wie Gyroid oder Wabenstruktur. So bleibt die Elastizität erhalten, ohne auf Festigkeit verzichten zu müssen.
   

Druckeinstellungen und Nachhärtung

• Druckgeschwindigkeit: Reduzieren Sie die Geschwindigkeit für höhere Präzision und um Stringing oder Verzug zu vermeiden – Werte zwischen 15–30 mm/s sind oft ideal.
• Schichthöhe: Feinere Layer (rund 50–100 Mikrometer) sorgen für bessere Oberflächenqualität, besonders bei filigranen Details.
• Nachhärtung: Achten Sie auf eine vollständige Aushärtung mit der richtigen Wellenlänge und Belichtungszeit. Unterhärtung führt zu klebrigen Oberflächen und geringerer Haltbarkeit; Überhärtung macht Teile spröde. Nutzen Sie die empfohlenen UV-Lichtquellen und drehen Sie die Bauteile, damit alle Seiten gleichmässig belichtet werden.

Häufige Probleme und wie man sie vermeidet

• Stringing: Flexible Harze neigen zu Fädenbildung zwischen Druckbahnen. Reduzieren Sie dies durch optimierte Retract-Einstellungen und – falls anwendbar – niedrigere Temperaturen.
• Unterhärtung: Teile fühlen sich klebrig an oder sind mechanisch schwach, wenn sie nicht vollständig ausgehärtet sind. Erhöhen Sie die UV-Belichtung oder nutzen Sie Additive, die die Aushärtungstiefe verbessern.
• Verzug oder Curling: Vermeiden Sie scharfe Kanten und abrupte Übergänge in der Geometrie, die Spannungen erzeugen. Sorgen Sie für gleichmässige Betttemperatur und konstante Umgebungsbedingungen während des Drucks.

Drei Entwicklungen prägen die Zukunft flexibler 3D-Druck-Kunststoffe:

• Bio-basierte Oligomere: GENOMER* 3135 verbindet hohe Dehnung mit erneuerbaren Inhaltsstoffen. Dieser Ansatz gewinnt sowohl im Konsumgüter- als auch im Industriebereich zunehmend an Bedeutung, da Nachhaltigkeitsanforderungen in der gesamten Lieferkette wachsen.

• Hybridformulierungen: Die Kombination von Flexibilität und Schlagzähigkeit oder elastomerischem Verhalten mit struktureller Stärke erlaubt es, Bauteile noch präziser auf Anforderungen abzustimmen – und den Bedarf an Mehrmaterial-Bauteilen zu reduzieren.
   

• Fortschritte in der Photoinitiator-Chemie: Neue Photoinitiatoren ermöglichen tiefere und gleichmässigere Aushärtung, was sowohl Elastizität als auch Haltbarkeit verbessert – selbst bei komplexen Geometrien oder dickwandigen Bauteilen.