Thermische Eigenschaften von 3D-Druck-Materialien und ihr Einfluss auf den Maschinenbau

 Bei mechanischen Komponenten im Maschinenbau denkt man häufig zuerst an Belastbarkeit, Härte oder Steifigkeit. Doch ebenso entscheidend ist das thermische Verhalten – vor allem, wenn Bauteile unter Temperaturbelastung arbeiten oder im Produktionsprozess selbst Wärme ausgesetzt sind. Dieser Artikel beleuchtet, welche thermischen Eigenschaften bei 3D-gedruckten Teilen relevant sind, wie sie gemessen und berücksichtigt werden – und wie sich Materialien und Konstruktionen daran anpassen lassen.

Warum sind thermische Eigenschaften im Maschinenbau wichtig?

Maschinenbauteile sind oft wechselnden Temperaturen, Hitzequellen, Reibungswärme oder Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Thermische Faktoren beeinflussen dabei:

• Maßhaltigkeit und Formstabilität

• Dauerfestigkeit und Materialermüdung

• Funktion von Passungen, Führungen oder Lagerungen

• Chemische Resistenz und Alterung

• Verzug beim Druckprozess selbst

Ein mangelhaft ausgewählter Werkstoff kann z. B. bei 70 °C weich werden, sich verziehen oder seine Funktion verlieren – mit potenziell hohen Folgekosten.

Relevante thermische Materialkennwerte

Die wichtigsten thermischen Eigenschaften, die bei der Werkstoffwahl und Konstruktion berücksichtigt werden sollten:

Eigenschaft	Bedeutung	Typischer Bereich
Glasübergangstemperatur (Tg)	Übergang von fest zu gummiartig	50–230 °C
Schmelzpunkt / Kristallisation	Grenze für Verformung oder Sintern	100–350 °C
Wärmeformbeständigkeit (HDT)	Temperatur, bei der sich das Material verformt	60–300 °C
Wärmeleitfähigkeit (λ)	Wie schnell wird Wärme durchgeleitet	0.1–20 W/mK
Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE)	Wie stark dehnt sich Material bei Hitze aus	50–150 µm/m·K

Diese Werte beeinflussen das Verhalten sowohl im Betrieb als auch beim 3D-Druck selbst (z. B. Schrumpfung).

Thermisch belastbare Kunststoffe im 3D-Druck

Nicht alle Kunststoffe halten hohen Temperaturen stand. Einige Favoriten für technische Anwendungen:

Polycarbonat (PC)

• HDT: ~135 °C

• Gute Maßhaltigkeit

• Ideal für Gehäuse oder Halterungen nahe Wärmequellen

Polyamid (PA12)

• Tg: ~45 °C, aber hohe Kristallinität

• Gute thermische Stabilität durch SLS/MJF-Verfahren

• Vielseitig einsetzbar bei moderaten Temperaturen

PEEK / PEKK

• HDT: >250 °C

• Hochleistungspolymere mit Metallersatz-Qualität

• Für Anwendungen in der Luftfahrt, Ölindustrie, Automotive

ABS

• HDT: ~95 °C

• Gut verarbeitbar, aber verzugsanfällig

• Günstige Option für moderate Hitzeanwendungen

Einfluss der Drucktechnik auf thermisches Verhalten

Der 3D-Druckprozess beeinflusst die thermischen Eigenschaften durch:

• Anisotropie: In Z-Richtung meist schlechtere Wärmeformbeständigkeit

• Unvollständige Kristallisation bei unzureichender Nachbehandlung

• Porosität reduziert Wärmeleitfähigkeit

• Restspannungen durch Temperaturgradienten

Besonders beim FDM-Verfahren kann es bei großen, flachen Teilen schnell zu Warping kommen – verursacht durch ungleichmäßige Abkühlung.

Metalle im 3D-Druck: Hervorragende Wärmebeständigkeit

Für thermisch hochbelastete Maschinenbauteile sind additive Metallwerkstoffe oft die erste Wahl:

Metall	Wärmeleitfähigkeit	Einsatztemperatur	Anwendung
AlSi10Mg	~150 W/mK	bis ~200 °C	Kühlkörper, Gehäuse
316L (Edelstahl)	~15 W/mK	bis ~500 °C	Ventile, Adapter
Ti6Al4V (Titan)	~7 W/mK	bis ~400 °C	Strukturteile
Inconel 718	~11 W/mK	bis ~700 °C	Turbinen, Brennräume

Diese Materialien sind ideal für Bauteile, bei denen thermische Stabilität und mechanische Festigkeit kombiniert gefordert sind.

Auch in der additiven Fertigung im Maschinenbau setzen sich metallische Lösungen zunehmend durch, wo Kunststoffe an ihre Grenzen stoßen.

Konstruktionstechnische Maßnahmen gegen Hitzeschäden

Neben der Materialwahl können auch smarte Konstruktionslösungen helfen, thermischen Problemen vorzubeugen:

• Wärmeabschirmung durch Design (z. B. Hohlräume, Kühlrippen)

• Dehnungsausgleich durch gezielte Materialübergänge

• Einplanung von Luftzirkulation oder aktiver Kühlung

• Verwendung von Topologieoptimierung, um hitzeunempfindliche Strukturen zu generieren

• Entkoppelung von heißen Komponenten durch flexible Elemente (z. B. TPU-Lagerungen)

So kann auch mit kostengünstigeren Materialien ein sicherer Einsatz gewährleistet werden.

Prüfung und Simulation thermischer Belastungen

Zur Beurteilung thermischer Eignung stehen folgende Methoden zur Verfügung:

• Thermische FEM-Analyse (Temperaturverläufe simulieren)

• IR-Kamera-Messungen unter Last

• Thermogravimetrie (TGA) – Analyse von Zersetzung

• Differenz-Thermoanalyse (DTA / DSC) – Glasübergang, Kristallisation

• HDT-Test nach ISO 75 – Wärmeformbeständigkeit

Diese Tests helfen, das Einsatzverhalten realitätsnah zu bewerten und Konstruktionen entsprechend abzusichern.

Fallbeispiele aus der Praxis

Einige Praxisbeispiele zeigen den Einfluss thermischer Eigenschaften auf den Erfolg:

• Kühlkörpergehäuse aus AlSi10Mg mit integrierten Kanälen für Flüssigkeitskühlung

• FDM-gedruckte PC-Abdeckungen, die bei 120 °C im Betrieb stabil bleiben

• TPU-Dichtungen, die bei Überhitzung versagen – Austausch durch HTPU notwendig

• SLA-gedruckte Führungen, die unter Reibungshitze verschmelzen – Ersetzung durch PA12-CF

Diese Beispiele zeigen: Ein falsches Material kann trotz perfekter Geometrie zum Ausfall führen.

Fazit

Thermische Eigenschaften sind ein oft unterschätzter, aber zentraler Aspekt beim 3D-Druck von Maschinenbauteilen. Nur wenn Glasübergang, Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit zum Anwendungsfall passen, kann additive Fertigung ihre volle Stärke entfalten. Durch geeignete Werkstoffwahl, clevere Konstruktion und begleitende Simulationen lassen sich auch thermisch anspruchsvolle Anwendungen sicher realisieren.