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Grundlagen Kunststoffkunde: warum Werkstoffe sich so verhaltenPolymer basics: why materials behave the way they do

GRUNDLAGEN · WERKSTOFF · LESEZEIT ~12 MINFUNDAMENTALS · MATERIALS · READING TIME ~12 MIN

Fast jede Frage, die in einer Anfrage auftaucht — hält das in der Sonne? verträgt es Öl? warum verzieht sich das? wieso ist es nach einem Jahr spröde? — lässt sich auf wenige Grundlagen zurückführen. Wer sie kennt, braucht keine Tabelle auswendig, sondern kann die Tabelle lesen. Dieser Beitrag erklärt sie ohne Formeln, aber ohne Vereinfachung, die später schadet.

Almost every question that comes up in an enquiry — will it hold up in sunlight? does it tolerate oil? why does it warp? why is it brittle after a year? — traces back to a few fundamentals. Knowing them means you do not need to memorise a table, you can read one. This article explains them without formulas, but without the kind of simplification that causes trouble later.

Was ein Thermoplast eigentlich istWhat a thermoplastic actually is

Die Werkstoffe im Schmelzschichtverfahren sind Thermoplaste: lange Molekülketten, die nicht untereinander vernetzt sind. Sie liegen nebeneinander wie gekochte Spaghetti in einer Schüssel — verschlungen, aneinander haftend, aber nicht verknüpft. Erwärmt man sie, gleiten die Ketten aneinander vorbei; der Werkstoff wird weich und fließt. Kühlt er ab, bleibt er in der neuen Form. Das lässt sich wiederholen, und genau darauf beruht der Druck.

The materials used in fused filament fabrication are thermoplastics: long molecular chains that are not cross-linked with one another. They lie side by side like cooked spaghetti in a bowl — tangled, clinging together, but not joined. Heat them and the chains slide past each other; the material softens and flows. Cool it and it keeps the new shape. This can be repeated, and that is exactly what printing relies on.

Dem gegenüber stehen Duromere — die Harze im SLA-Verfahren. Dort verknüpfen sich die Ketten beim Aushärten dauerhaft zu einem Netz. Das Ergebnis ist fester und formstabiler in der Wärme, aber es lässt sich nicht wieder aufschmelzen und ist meist spröder. Wer ein SLA-Teil in den Ofen legt, bekommt kein weiches Teil, sondern ein zerstörtes.

Against these stand thermosets — the resins in SLA. There the chains link permanently into a network during curing. The result is stronger and more heat-stable, but it cannot be remelted and is usually more brittle. Putting an SLA part in an oven does not give a soft part, it gives a destroyed one.

Amorph oder teilkristallin — die wichtigste UnterscheidungAmorphous or semi-crystalline — the key distinction

Wie die Ketten beim Abkühlen liegen, entscheidet über fast alles Weitere.

How the chains settle during cooling decides almost everything else.

EigenschaftProperty Amorph (PLA im Druckzustand, ABS, ASA, PC, PETG)Amorphous (PLA as printed, ABS, ASA, PC, PETG) Teilkristallin (PA, PP, PEEK, PPS)Semi-crystalline (PA, PP, PEEK, PPS)
KettenlageChain arrangement Ungeordnet, wie erstarrt eingefrorenDisordered, frozen as they were Bereichsweise geordnet, dazwischen ungeordnetOrdered in regions, disordered between them
ErweichenSoftening Allmählich über den Glasübergang; kein scharfer PunktGradually over the glass transition; no sharp point Bleibt lange fest, dann vergleichsweise scharfer SchmelzbereichStays solid for longer, then a comparatively sharp melting range
AussehenAppearance Kann glasklar seinCan be optically clear Meist milchig bis opakUsually milky to opaque
Verzug im DruckWarping when printed Geringer — schrumpft gleichmäßigerLower — shrinks more evenly Höher — die Kristallbildung schrumpft zusätzlichHigher — crystallisation shrinks further
ChemikalienChemicals Anfälliger, besonders gegen LösemittelMore susceptible, especially to solvents Beständiger — die geordneten Bereiche lassen nichts durchMore resistant — the ordered regions let nothing through

Daraus folgt unmittelbar: PETG lässt sich leicht drucken und verzieht sich wenig, ist aber gegen manche Reiniger empfindlich. PA ist zäh und ölbeständig, verzieht sich aber und braucht Kammerwärme. Das sind keine Zufälle der Hersteller, sondern Folgen des Aufbaus.

From this follows directly: PETG prints easily and warps little, but is sensitive to some cleaning agents. PA is tough and oil-resistant, but warps and needs chamber heat. These are not manufacturer quirks, they follow from the structure.

Glasübergang: die Zahl, die über Wärmefestigkeit entscheidetGlass transition: the number that decides heat resistance

Der Glasübergang (Tg) ist die Temperatur, ab der die Ketten beweglich werden. Darunter ist der Werkstoff hart und spröde-elastisch wie Glas; darüber wird er zäh und gummiartig, lange bevor er schmilzt. Für ein Bauteil heißt das: Nicht der Schmelzpunkt begrenzt den Einsatz, sondern der Glasübergang.

The glass transition (Tg) is the temperature at which the chains become mobile. Below it the material is hard and glassy; above it it turns tough and rubbery, long before it melts. For a part this means: it is not the melting point that limits use, it is the glass transition.

Das erklärt den häufigsten Schaden. PLA hat einen Glasübergang um 55 bis 60 °C. Ein Armaturenbrett im Sommer erreicht das ohne Weiteres. Das Teil schmilzt nicht — es wird weich und sackt unter seinem eigenen Gewicht. Deshalb steht in der Werkstofftabelle nicht der Schmelzpunkt, sondern die Formstabilität. This explains the most common failure. PLA has a glass transition around 55 to 60 °C. A car dashboard in summer reaches that easily. The part does not melt — it softens and sags under its own weight. That is why the materials table lists form stability, not the melting point.

Teilkristalline Werkstoffe haben zusätzlich einen Schmelzbereich (Tm), der deutlich höher liegt. Zwischen Tg und Tm bleiben die geordneten Bereiche fest und halten das Bauteil zusammen — deshalb ist PA bei 80 °C noch brauchbar, obwohl sein Glasübergang darunter liegt. Wie viel Ordnung sich beim Abkühlen bildet, hängt allerdings davon ab, wie schnell abgekühlt wurde: Ein rasch abgekühltes teilkristallines Teil ist weniger kristallin und damit weniger wärmefest als eines, das langsam erstarrt oder nachträglich warm ausgelagert wurde.

Semi-crystalline materials additionally have a melting range (Tm) that lies considerably higher. Between Tg and Tm the ordered regions stay solid and hold the part together — which is why PA is still usable at 80 °C even though its glass transition is below that. How much order forms during cooling depends on cooling rate, though: a quickly cooled semi-crystalline part is less crystalline, and therefore less heat-resistant, than one that solidifies slowly or is annealed afterwards.

Kriechen: Last über Zeit ist etwas anderes als LastCreep: load over time is not the same as load

Kunststoffe geben unter dauernder Last langsam nach, auch weit unterhalb der Bruchlast und weit unterhalb des Glasübergangs. Dieses Kriechen ist der Grund, warum eine Halterung, die beim Einbau perfekt saß, nach Monaten durchhängt. Drei Dinge verstärken es: höhere Temperatur, höhere Spannung, längere Zeit.

Plastics slowly give way under sustained load, even far below breaking load and far below the glass transition. This creep is why a mount that fitted perfectly at installation sags after months. Three things intensify it: higher temperature, higher stress, longer time.

Für die Auslegung heißt das: Eine Zugfestigkeit aus dem Datenblatt ist ein Kurzzeitwert, gemessen in Minuten. Wer ein Teil damit für Dauerlast auslegt, rechnet mit der falschen Zahl. Die brauchbare Faustregel lautet, bei Dauerlast nur einen Bruchteil der Kurzzeitfestigkeit anzusetzen — wie groß dieser Bruchteil ist, hängt vom Werkstoff und von der Temperatur ab und gehört in die Auslegung, nicht ins Bauchgefühl.

For design this means: a tensile strength from a data sheet is a short-term value, measured in minutes. Designing a part for sustained load with it means using the wrong number. The usable rule of thumb is to apply only a fraction of short-term strength for sustained load — how large that fraction is depends on material and temperature and belongs in the design, not in gut feeling.

Feuchtigkeit: der unsichtbare FehlerMoisture: the invisible fault

Manche Werkstoffe ziehen Wasser aus der Luft — PA besonders stark, PC, PETG und TPU spürbar, PLA und ASA wenig. Das hat zwei völlig verschiedene Folgen, die oft verwechselt werden:

Some materials absorb water from the air — PA particularly strongly, PC, PETG and TPU noticeably, PLA and ASA little. This has two entirely different consequences that are often confused:

Deshalb wird nicht nur trocken gelagert, sondern getrocknet — und bei empfindlichen Werkstoffen aus der Trockenbox heraus gedruckt. Einzelheiten dazu stehen im Trocknungs-Merkblatt.

So material is not merely stored dry, it is dried — and with sensitive materials printed straight from a dry box. Details are in the drying fact sheet under documentation.

Alterung: UV, Wärme, SauerstoffAgeing: UV, heat, oxygen

Kunststoffe altern, und zwar unabhängig von Belastung. Ultraviolettes Licht bricht Molekülketten auf; die Folge ist Versprödung, Verfärbung und Kreidung an der Oberfläche. Wärme und Sauerstoff beschleunigen das. Deshalb ist ein Teil, das drei Jahre draußen lag, kein gealterter Zwilling des Neuteils, sondern ein anderer Werkstoff.

Plastics age, independently of load. Ultraviolet light breaks molecular chains; the result is embrittlement, discolouration and chalking at the surface. Heat and oxygen accelerate it. So a part that has lain outdoors for three years is not an aged twin of the new part, it is a different material.

Werkstoffe unterscheiden sich darin erheblich. ASA ist für den Außeneinsatz gemacht und hält UV lange stand; ABS ist chemisch verwandt, aber deutlich weniger beständig; PLA baut sich unter Feuchtigkeit und Wärme ohnehin ab. Farbpigmente spielen mit: Schwarz schützt die darunterliegende Schicht besser als ein heller Ton, wird aber in der Sonne wärmer — was wiederum den Glasübergang näher rückt.

Materials differ considerably here. ASA is made for outdoor use and resists UV for a long time; ABS is chemically related but far less resistant; PLA degrades under moisture and heat anyway. Pigments play a part: black protects the layer beneath better than a light shade, but gets hotter in sunlight — which in turn brings the glass transition closer.

Anisotropie: warum ein Druckteil eine Richtung hatAnisotropy: why a printed part has a direction

Das ist die Eigenschaft, die den gedruckten Werkstoff vom Spritzgussteil unterscheidet. Innerhalb einer Bahn sind die Ketten in Bewegungsrichtung ausgerichtet und tragen gut. Zwischen zwei Schichten trägt dagegen nur das, was verschmolzen ist — und das ist weniger, weil die untere Schicht beim Auftragen der nächsten bereits abgekühlt ist. Ein gedrucktes Teil ist quer zur Aufbaurichtung deutlich schwächer als längs.

This is the property that separates a printed material from a moulded one. Within a path the chains align with the direction of travel and carry load well. Between two layers, however, only what has fused carries — and that is less, because the lower layer has already cooled when the next is deposited. A printed part is noticeably weaker across the build direction than along it.

Praktisch heißt das: Die Aufbaurichtung ist eine Konstruktionsentscheidung, keine Einstellung. Ein Haken, dessen Last senkrecht zu den Schichten zieht, bricht an der Schichtgrenze — derselbe Haken um 90 Grad gedreht gedruckt hält ein Vielfaches. Was die Fuge zwischen den Schichten stärkt: höhere Düsentemperatur, weniger Bauteilkühlung, geringere Schichthöhe, warme Umgebung. Was sie schwächt: Feuchtigkeit, Zugluft, zu hohe Geschwindigkeit.

In practice: build orientation is a design decision, not a setting. A hook whose load pulls perpendicular to the layers breaks at the layer boundary — the same hook printed rotated by 90 degrees holds many times more. What strengthens the interface: higher nozzle temperature, less part cooling, lower layer height, warm surroundings. What weakens it: moisture, draughts, excessive speed.

Füllstoffe und FasernFillers and fibres

Zusätze im Grundwerkstoff verschieben die Eigenschaften gezielt — und immer in beide Richtungen. Kurze Glas- oder Kohlenstofffasern erhöhen Steifigkeit und Formbeständigkeit in der Wärme und verringern den Verzug; dafür sinkt die Bruchdehnung deutlich, das Teil wird spröder, und der Werkstoff wird abrasiv. Holz-, Metall- und Mineralfüllungen verändern vor allem Aussehen, Haptik und Gewicht, meist auf Kosten der Festigkeit. Welche Düse das jeweils verlangt, steht bei den Sonderwerkstoffen.

Additives in the base material shift properties deliberately — and always in both directions. Short glass or carbon fibres raise stiffness and heat stability and reduce warping; in return elongation at break drops considerably, the part becomes more brittle, and the material turns abrasive. Wood, metal and mineral fills mainly change appearance, feel and weight, usually at the cost of strength. Which nozzle each requires is listed under special materials.

Eine wichtige Einschränkung: Kurzfasern verbessern die Steifigkeit in der Bahn. Die Schwachstelle zwischen den Schichten machen sie nicht besser — teilweise sogar schlechter, weil weniger Grundwerkstoff zum Verschmelzen da ist. Ein faserverstärktes Teil ist nicht rundum fester, sondern steifer in einer Richtung. An important limitation: short fibres improve stiffness within the path. They do not improve the weak point between layers — sometimes they make it worse, because less base material is available to fuse. A fibre-reinforced part is not stronger all round, it is stiffer in one direction.

Was sich daraus für eine Anfrage ableiten lässtWhat this means for an enquiry

Wenn Sie das wissenIf you know this …folgt daraus…this follows
Höchste Temperatur am EinbauortHighest temperature at the installation point Werkstoffauswahl über den Glasübergang, nicht über den SchmelzpunktMaterial selection via glass transition, not melting point
Dauerlast oder nur kurzzeitigSustained or only brief load Ob mit Kurzzeit- oder mit stark abgeminderten Werten zu rechnen istWhether to calculate with short-term or heavily reduced values
Richtung der Kraft am BauteilDirection of force on the part Die Aufbaurichtung — der größte Hebel überhauptThe build orientation — the single biggest lever
Draußen, drinnen, im FahrzeugOutdoors, indoors, in a vehicle UV-Beständigkeit und Wärmelast; PLA scheidet in Fahrzeug und Sonne ausUV resistance and heat load; PLA is ruled out in vehicles and sunlight
Kontakt mit Öl, Reiniger, LösemittelContact with oil, cleaner, solvent Teilkristallin statt amorph; das Medium bitte benennenSemi-crystalline rather than amorphous; please name the medium
Enge Passung gefordertTight fit required Feuchteaufnahme beachten — PA verändert das Maß über die ZeitWatch moisture uptake — PA changes size over time
Kurz: Wo das Teil lebt und was es aushalten muss, entscheidet über den Werkstoff; wie die Kraft daran zieht, entscheidet über die Aufbaurichtung. Beides zusammen ist mehr wert als jede Einstellung im Slicer. Die Zahlen dazu stehen in der Werkstoffdatenbank — mit der Angabe, woher jede Zahl stammt. In short: where the part lives and what it has to withstand decides the material; how force pulls on it decides the build orientation. Together those matter more than any slicer setting. The figures are in the materials database — each with a note on where it comes from.

Quellen und weiterführende LiteraturSources and further reading

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