Auf einen Blick
In diesem Leitfaden behandeln wir die wichtigsten Materialien, Technologien und Anwendungen im Bereich des flexiblen 3D-Drucks. Sie erfahren, wie sich verschiedene Materialtypen – von TPU über gummiartige PolyJet™-Materialien bis hin zu P3™-Elastomeren wie Silikonen – in der Praxis verhalten. Wir untersuchen, in welchem Zusammenhang die Shore-Härte mit der Flexibilität steht und wie sich die Materialeigenschaften an den tatsächlichen Einsatzzweck anpassen lassen. Außerdem vergleichen wir Stratasys-Technologien wie FDM®, PolyJet und P3 DLP, zeigen auf, in welchen Branchen flexible Materialien zum Einsatz kommen, und bieten Ihnen einen klaren Leitfaden, der Ihnen bei der Auswahl des richtigen Materials für Ihre Anwendung hilft.
Beim flexiblen 3D-Druck werden Bauteile aus elastomeren Materialien hergestellt, die sich biegen, dehnen, zusammenpressen oder Stöße absorbieren lassen und anschließend wieder ihre ursprüngliche Form annehmen. Dabei kommen flexible thermoplastische Materialien und Photopolymere wie TPU (thermoplastisches Polyurethan) sowie andere elastomere Materialien mit unterschiedlichen Shore-Härten und Dehnungseigenschaften zum Einsatz. Der flexible 3D-Druck wird häufig zur Herstellung von ergonomischen Griffen, Dichtungen, Dichtungsringen, Wearables, Polsterelementen sowie medizinischen oder zahnmedizinischen Komponenten eingesetzt, die Weichheit, Elastizität oder wiederholtes Biegen erfordern.
Beim flexiblen 3D-Druck geht es um die Herstellung von Bauteilen, die großen, reversiblen Verformungen – Biegen, Zusammendrücken oder Stoßdämpfung – ausgesetzt sind und ihre Form wiedererlangen, sobald die Kraft nachlässt. Je nach Material kann dies alles von einer leichten Biegung unter Belastung bis hin zu einem vollständig gummiartigen Verhalten reichen.
Nicht alle flexiblen Materialien verhalten sich gleich. Einige sind so konzipiert, dass sie in Passform und Haptik Gummi nachahmen. Andere sind darauf ausgelegt, wiederholte Beanspruchung, Abrieb oder mechanische Belastung auszuhalten, ohne zu brechen. Diese Unterscheidung ist bereits zu Beginn wichtig, da sie sowohl die Materialauswahl als auch den Druckprozess beeinflusst.
Die Shore-Härte und die Bruchdehnung sind die einfachsten Methoden, um diese Eigenschaften zu quantifizieren. Niedrigere Shore-A-Kennwerte weisen auf weichere, nachgiebigere Materialien hin. Höhere Werte stehen für festere Materialien, die mehr Halt bieten. Die Bruchdehnung gibt an, wie stark sich ein Material dehnen kann, bevor es reißt.
Die entscheidende Frage ist, welche Anforderungen das Bauteil erfüllen muss. Geht es um Realismus bei Griffen, Dichtungen oder umspritzten Elementen, optimiert man in der Regel die Haptik und die Oberflächenbeschaffenheit. Handelt es sich um funktionale Teile wie Schutzabdeckungen, Werkzeuge/Werkzeugbau oder Bauteile, die wiederholt gebogen werden, stehen eher Haltbarkeit und Langlebigkeit im Laufe der Zeit im Vordergrund.
Flexible 3D-Druckmaterialien decken ein breites Spektrum an Eigenschaften ab, von zähen, leicht flexiblen Kunststoffen bis hin zu weichen, gummiartigen Materialien. Die richtige Wahl hängt weniger davon ab, „wie flexibel“ ein Material für sich genommen ist, sondern vielmehr davon, welche Anforderungen es im Einsatz erfüllen muss, z. B. wiederholtes Biegen, Oberflächenhaftung, Dichtwirkung oder einfach die Nachbildung der Haptik eines Endprodukts.
Diese Materialien lassen sich am besten anhand ihrer Leistungseigenschaften verstehen:
Einige Materialien bieten zwar eine begrenzte Flexibilität, wie beispielsweise halb-flexible Photopolymere oder Materialien auf Polypropylenbasis, doch diese weisen nicht das in diesem Leitfaden beschriebene gummiartige Verhalten auf.
Thermoplastische Elastomere (TPE) bilden eine breite Kategorie flexibler Thermoplaste, wobei es sich gleichzeitig um eine spezifische TPE-Art handelt. TPU, das in Stratasys FDM®-Systemen verwendet wird, gehört zur TPE-Kategorie und bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flexibilität und langlebiger Haltbarkeit.
Materialien wie FDM® TPU 92A bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flexibilität und Langlebigkeit, sodass Sie sie dort einsetzen können, wo die Leistungsfähigkeit wichtiger ist als das Oberflächenfinish: bei Bauteilen, die Verschleiß, Vibrationen oder wiederholte Bewegungen standhalten müssen.
Flexible PolyJet-Materialien wie Agilus30, Tango und Elastico wurden entwickelt, um Elastomere mit hoher Detailgenauigkeit und Präzision nachzubilden. Diese Materialien bieten unterschiedliche Grade an Weichheit und Flexibilität, sodass Sie die Haptik und das Verhalten des Materials an die jeweilige Anwendung anpassen können. Verbundmaterial erweitert diese Möglichkeiten noch weiter, indem es Ihnen ermöglicht, die Shore-Härte und das Verhalten innerhalb eines einzigen Bauteils anzupassen. Und mit dem Multimaterialdruck können Sie starre und flexible Elemente in einem einzigen Bauteil kombinieren.
Diese Materialien kommen bei realistischen Prototypen, Elementen mit weichem Effekt und der Designvalidierung zum Einsatz sowie bei Bauteilen, die eine kontrollierte Flexibilität erfordern, ohne das vollständige Verhalten eines Elastomers aufzuweisen.
Flexible Kunstharze für den 3D-Druck, wie TissueMatrix® und GelMatrix®, erweitern dies noch weiter hin zu einem sehr weichen, gelartigen Verhalten. Sie werden in der Medizin für Simulation und Ausbildung eingesetzt, wo die Nachbildung des Verhaltens von Weichgewebe wichtiger ist als die mechanische Festigkeit.
Flexible Materialien für P3-DLP eignen sich für Anwendungen, bei denen das Verhalten unter Belastung in realen Situationen entscheidend ist.
Nicht alle 3D-gedruckten Teile aus „Silikon“ bestehen tatsächlich aus Silikon.
Echte Silikonmaterialien wie P3 Silicone 25A verhalten sich wie Silikon zum Gießen. Sie sind druckfest, dichtend und widerstandsfähig gegen wiederholte Verformung und altern im Laufe der Zeit auf eine Weise, wie es silikonähnliche Materialien in der Regel nicht können.
Dies ist wichtig beim Übergang vom Konzept zur Anwendung. Wenn das Bauteil unter realen Bedingungen über einen längeren Zeitraum hinweg funktionieren muss, sind das Materialverhalten und die Alterung wichtiger als das Aussehen.
Stratasys unterstützt den flexiblen 3D-Druck mit verschiedenen Technologien, die jeweils für unterschiedliche Anwendungsbereiche geeignet sind. Bei der Auswahl geht es nicht nur darum, wie weich ein Material ist, sondern vielmehr darum, welche Anforderungen das Bauteil erfüllen muss, wie es eingesetzt wird und wie konsistent das Druckergebnis sein muss.
Das bedeutet, dass man zwischen FDM für langlebige Funktionsteile, PolyJet für hochdetaillierte, gummiartige Prototypen und P3 für Elastomeranwendungen wählen kann, die näher an der Produktionsleistung liegen. Jede Technologie nimmt hinsichtlich Haltbarkeit, Realismus und Materialverhalten einen anderen Platz ein.
FDM eignet sich ideal für funktionale, flexible Teile, insbesondere wenn Ihre Teile langlebig und verschleißfest sein müssen.
Materialien wie TPU 92A lassen sich nicht nur einmal biegen. Sie halten wiederholtem Biegen, Abrieb und alltäglicher Beanspruchung stand, ohne zu versagen. Deshalb werden sie beispielsweise für Schutzabdeckungen, Leitungen, Dichtungen und Greifwerkzeuge verwendet. Sie erhalten zwar nicht das beste Oberflächenfinish, dafür aber Teile mit ausreichender Zähigkeit und Zuverlässigkeit, die in der Werkstatt oder in der Produktion eingesetzt werden können.
PolyJet wurde für hochdetaillierte, gummiartige Drucke entwickelt, insbesondere dort, wo Realismus und Oberflächenbeschaffenheit eine wichtige Rolle spielen. Mit Materialien wie Agilus30, Elastico und Tango lässt sich die Weichheit steuern, und sie können in einem einzigen Druckvorgang mit festen Materialien kombiniert werden.
Dadurch eignet sich das Verfahren besonders gut für umspritzte Teile, Dichtungen, weiche Elemente und komplexe Baugruppen. Sie können die Shore-Härte innerhalb eines Teils variieren und feine Details erzielen, die mit filamentbasierten Systemen nicht möglich sind.
PolyJet wird häufig für die Designvalidierung, medizinische Modelle und Anwendungen eingesetzt, bei denen Aussehen, Haptik und Passform des Teils eng am Endprodukt orientiert sein müssen.
Die P3-DLP-Plattform erweitert den flexiblen 3D-Druck auf echte Elastomer-Eigenschaften für praktische Anwendungen, darunter Silikon und hochdehnbare Materialien. Hier geht der flexible Druck über die Simulation hinaus und ermöglicht die Herstellung von Bauteilen, die sich wie serienmäßige Elastomere verhalten.
P3™ Silicone 25A wird für kleine Stückzahlen oder beim Prototyping von Bauteilen verwendet, die herkömmlich aus formbaren Silikonen hergestellt werden: dort, wo langfristige Druckbelastbarkeit und Weichheit unter anspruchsvollen Bedingungen wichtig sind, wie beispielsweise bei Dichtungen und Dichtelementen sowie bei allen Bauteilen, die sich über einen längeren Zeitraum hinweg unter feuchten Bedingungen sowie bei niedrigen oder hohen Temperaturen vorhersehbar verformen und wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren müssen. Umgebungen, in denen herkömmliche Elastomere oder flexible Materialien den Anforderungen nicht standhalten.
Elastomermaterialien wie Stretch 80 und IND475 sind für wiederholte Bewegungen ausgelegt. Man findet sie in weichen Greifern und Greifwerkzeugen, wo sich die Teile kontinuierlich biegen.
Der Vorteil der flexiblen P3-DLP-Materialien besteht darin, dass sie nicht nur Gummi simulieren, sondern echtes Elastomerverhalten bieten – ohne Werkzeuge/Werkzeugbau, mit konsistenten, wiederholbaren Ergebnissen und einem sehr guten Oberflächenfinish.
Die Anwendungsbereiche des flexiblen 3D-Drucks reichen von maßgefertigten medizinischen Orthesen über industrielle Schwingungsdämpfer bis hin zu Dichtungen für die Automobilindustrie. Mithilfe flexibler Thermoplaste und Photopolymere können Hersteller Bauteile herstellen, die Schlagfestigkeit, ergonomischen Komfort und komplexe Dichtungsgeometrien bieten. Diese Materialien eignen sich zudem für maßgeschneiderte Konsumgüter wie Schuhe, Wearables und Schutzausrüstung und ermöglichen gleichzeitig eine langlebige, wiederholbare Produktion für anspruchsvolle industrielle Anwendungen.
Was variiert, ist die Rolle, die das Bauteil spielt. Manche Anwendungen erfordern funktionale Leistung, andere Funktionsprototypen, mit denen Passform und Haptik vor dem Produktionsstart überprüft werden können. Oft sind es beides – in verschiedenen Phasen desselben Projekts.
Im Gesundheitswesen können je nach Fall Realismus, kontrollierte Weichheit, langlebige Eigenschaften, Biokompatibilität oder langfristige Leistungsfähigkeit zu den Prioritäten gehören.
Für Simulations- und anatomische Modelle werden sehr weiche Materialien verwendet, um das Verhalten von Gewebe realistisch nachzuahmen. Bei funktionalen Komponenten oder Bauteilen mit Patientenkontakt müssen die Materialien zudem mechanische Zuverlässigkeit, Elastizität, Rückstellvermögen und langfristige Leistungsfähigkeit gewährleisten.
Anwendungen im Automobilbereich lassen sich im Wesentlichen in drei Bereiche einteilen: Prototyping und Designvalidierung, . Jeder dieser Bereiche stellt unterschiedliche Anforderungen an die Materialien.
Wichtigste Anforderungen:
Bei der Prototypenentwicklung und Konstruktionsvalidierung liegt der Schwerpunkt darauf, wie Teile zusammenpassen, wie sie sich verformen und wie sie sich im Zusammenspiel mit umgebenden Bauteilen verhalten. Bei Fertigungshilfsmitteln und Werkzeugen stehen Haltbarkeit und der Schutz der Teile im Vordergrund. Teile für den Endanwendungsbereich müssen langfristig unter Verschleiß, Vibrationen und wiederholter Verformung leistungsfähig bleiben.
Der Einsatz von Elastomermaterial hat es dem Team von Polaris ermöglicht, zahlreiche geometrisch präzise Entwürfe für den Ansaugkanal eines ihrer Fahrzeuge zügig zu entwickeln und zu testen.
Bei Konsumgütern liegt der Schwerpunkt beim Prototyping und bei der Designvalidierung häufig auf der Benutzerinteraktion und der Haptik, während es beim Werkzeugbau und bei den Endbauteilen vor allem um Haltbarkeit, Komfort und die Leistungsfähigkeit im wiederholten Gebrauch geht.
Designteams müssen häufig testen, wie sich ein Produkt anfühlt, bevor sie den Weg in den Werkzeugbau einschlagen – insbesondere bei Teilen, bei denen Haptik, Komfort oder Flexibilität eine wichtige Rolle spielen.
Flexible Materialien werden verwendet für:
Wichtigste Anforderungen:
In industriellen Umgebungen werden flexible Materialien in der Regel für das Prototyping und die Validierung, als Fertigungshilfsmittel sowie für Endverbrauchsteile eingesetzt. Sie können in den Bereichen Handhabung, Schutz und Prozessinteraktion zum Einsatz kommen.
Beim Prototyping liegt der Schwerpunkt oft auf der Validierung von Passform, Bewegung, Kompression und Interaktion mit umgebenden Komponenten. Bei Werkzeugen und Fertigungshilfsmitteln ist die Leistungsfähigkeit über lange Zeiträume hinweg wichtig. Von den Teilen wird erwartet, dass sie einem Dauereinsatz standhalten, weshalb Ermüdungsfestigkeit und Konsistenz entscheidende Faktoren sind.
Typische Anwendungsfälle sind:
Wichtigste Anforderungen:
Flexible Materialien eröffnen dem 3D-Druck ganz neue Möglichkeiten. Anstatt sich nur auf Form und Passgenauigkeit zu konzentrieren, können Sie nun auch Bewegung, Kontakt und Interaktion in der realen Welt in Ihre Konstruktionen einbeziehen. Dazu gehören Bauteile, die greifen, abdichten, Stöße absorbieren oder sich unter Belastung biegen müssen.
Genau wie starre 3D-gedruckte Teile tragen sie dazu bei, Werkzeugkosten zu senken, Entwicklungszyklen zu verkürzen, komplexere Geometrien zu ermöglichen und die individuelle Anpassung oder Kleinserienfertigung zu unterstützen. Der Unterschied besteht darin, dass das Materialverhalten selbst Teil der Konstruktionsfunktion wird.
In der Praxis besteht der Vorteil nicht nur in der „Flexibilität“. Es ist vielmehr die Fähigkeit, das Materialverhalten an die beabsichtigte Funktion des Bauteils anzupassen. Sei es nun langlebiges Verhalten und wiederholte Biegung mit FDM TPU 92A, kontrollierte Flexibilität und Multimaterial-Design mit PolyJet-Materialien wie Agilus30, Tango und Elastico oder echtes Elastomer-Verhalten mit den Kunstharzen P3 Silicone 25A und P3 Stretch.
Flexible Materialien werden häufig verwendet, da sie Energie absorbieren und wiederholten Belastungen standhalten können, ohne sich dauerhaft zu verformen. Anstatt unter Belastung zu reißen, nehmen sie wieder ihre ursprüngliche Form an.
FDM TPU 92A ist ein gutes Beispiel dafür. Es wird häufig für Teile verwendet, die Abrieb, Vibrationen oder wiederholter Biegung standhalten müssen, wie Schutzabdeckungen und Kanäle. Daher eignet es sich nicht nur für das Prototyping, sondern auch für den funktionalen Einsatz.
Ein weiteres gutes Beispiel sind Greifwerkzeuge: P3-Stretch-Materialien müssen weich genug sein, um Teile zu handhaben, ohne sie zu beschädigen, aber gleichzeitig widerstandsfähig genug, um diesen Vorgang tausende Male auszuführen. Diese Kombination macht sie für den Einsatz in der Serienfertigung geeignet.
Flexible Materialien ermöglichen es Ihnen, Geometrien zu entwerfen, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nur schwer oder gar nicht realisierbar wären. Dazu gehören integrierte Dichtungen, Schnapp-Verbindungen, weiche Scharniere, Hinterschneidungen und Multimaterialbauteile.
Mit den digitalen Verbundmaterialien von PolyJet können Sie festes und flexibles Material in einem einzigen Druckvorgang kombinieren und so Designs im Überformungsstil ohne Montage realisieren. Dies ist nützlich für Produkte mit Bereichen mit weichem Griff, Griffen oder mehrschichtigem Materialverhalten.
Flexible Materialien erleichtern das Prototyping und die Iteration von Designs, die auf Bewegung oder Kontakt beruhen. Anstatt das Verhalten nur zu approximieren, können Sie es direkt testen – sei es, wie sich eine Dichtung zusammenpresst und sichert, wie sich ein Griff anfühlt oder wie ein Bauteil unter Belastung reagiert.
Flexible Materialien unterscheiden sich erheblich in ihrem Verhalten, auch wenn sie oberflächlich betrachtet ähnlich erscheinen. Die Shore-Härte bietet einen nützlichen Anhaltspunkt, doch die Leistung im tatsächlichen Einsatz hängt ebenso stark von der Dehnung, der Stabilität / Festigkeit und der Art der Materialverarbeitung ab.
Die folgende Tabelle vergleicht typische Eigenschaften von flexiblen FDM-Filamenten, gummiartigen PolyJet-Photopolymeren und Digital Anatomy-Materialien sowie P3-DLP-Elastomeren.
|
|
Materialtyp |
Technologie |
Shore-Härte
|
Bruchdehnung
|
Zugfestigkeit
|
Aussehen
|
Langlebigkeit
|
Am besten geeignet für |
|
FDM® TPU 92A |
Flexibler Thermoplast |
FDM |
~92A |
Hoch |
Hoch |
Matt, sichtbare Schichten |
Hoch |
Funktionsteile, Kanäle, Abdeckungen, EOAT |
|
Gummiartiges Photopolymer |
PolyJet
|
~30A (rein); 30–95A mit Verbundmaterialen |
Mäßig bis hoch |
Mäßig
|
Glatt, hohe Detailgenauigkeit |
Mäßig |
Prototypen, weich |
|
|
Gummiartiges Photopolymer |
PolyJet
|
~26–28A |
Mäßig |
Mäßig
|
Glatt |
Mäßig |
Flexible Prototypen, Dichtungen |
|
|
Gummiartige Photopolymer-Formularien |
PolyJet |
~45A |
Mäßig |
Mäßig |
Glatt, weiche Haptik |
Mäßig |
Prototypen, Griffe, Umspritzungen |
|
|
Ultraweiches Photopolymer |
PolyJet |
Sehr hoch |
Niedrig |
Weich, gelartig |
Variiert |
Medizinische Simulation |
||
|
Silikonelastomer |
P3 |
~25A |
Hoch |
Mäßig
|
Glatt, Silikon |
Mäßig |
Dichtungen, Dichtelemente, Verschleißteile |
|
|
Elastomer (hohe Dehnbarkeit) |
P3 |
~87A |
Sehr hoch |
Mäßig |
Glatt, Elastomer |
Mäßig bis hoch |
Allzweck-Elastomerteile, Dichtungen, flexible Prototypen |
|
|
Elastomer (hohe Dehnbarkeit)
|
P3 |
~45–49A |
Sehr hoch |
Mäßig |
Glatt, Elastomer |
Hoch |
Weiche Greifer, EOAT, wiederholter industrieller Einsatz |
|
|
Festes Elastomer (hohe Rückprallkraft) |
P3 |
~85–90A |
Hoch |
Mäßig–hoch |
Glatt, Elastomer
|
Hoch |
Dämpfung, Gitterkonstruktionen, Anwendungen mit Energierückgabe (z. B. Schuhe) |
Bei der Auswahl eines flexiblen 3D-Druckmaterials kommt es darauf an, wie sich das Bauteil im Einsatz verhalten soll, und nicht nur darauf, wie weich es sich anfühlt. Nutzen Sie dies als Schnellfilter und sehen Sie sich anschließend die obige Vergleichstabelle an, um detaillierte Eigenschaften zu erfahren.
1. Wie weich muss es sein?
2. Soll das Material eine bestimmte Funktion erfüllen oder eine andere simulieren?
3. Welcher Belastung wird das Material ausgesetzt sein?
4. Wie wichtig ist das Oberflächenfinish?
5. Benötigen Sie mehrere Materialien in einem Bauteil?
6. In welcher Phase befindet sich das Bauteil?
