Materialkennwerte im FDM-Druck: Was Datenblätter wirklich aussagen

Materialkennwerte für den FDM-Druck geben an, wie fest, steif, zäh und wärmebeständig ein Kunststoff ist. Für das gedruckte Bauteil gelten diese Werte aber nur unter Vorbehalt. Die meisten Filament-Datenblätter beruhen auf Probekörpern, die unter Idealbedingungen hergestellt wurden. Ein FDM-Teil dagegen besteht aus Schichten und Strängen, und seine Festigkeit hängt deshalb von der Richtung ab. Dieser Leitfaden erklärt, welche Kennwerte zählen, warum Datenblatt und Bauteil auseinanderliegen und wie Ingenieure, Entwickler und Konstrukteure die Zahlen sicher in ihre Auslegung übernehmen.

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Kennwerte für Ihr Bauteil einordnen

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TL;DR

Filament-Datenblätter zeigen oft Werte von spritzgegossenen Probekörpern. Gedruckte Teile erreichen laut Forschung häufig nur 60 bis 80 % dieser Festigkeit.
FDM-Bauteile sind anisotrop: In Z-Richtung, also quer zu den Schichten, sind sie deutlich schwächer als in der X-Y-Ebene.
Den größten Einfluss auf die Zugfestigkeit hat die Bauteilorientierung, gefolgt von der Schichthöhe.
Normen wie ISO/ASTM 52924 setzen auf Eigenschaftsklassen. Statt nur „in PLA drucken“ zu verlangen, sollten Sie also die geforderte Funktion beschreiben.
Bei kritischen Teilen sind Prüfkörper aus derselben Maschine, demselben Material und mit denselben Parametern die belastbarste Grundlage.

Inhaltsverzeichnis

Welche Materialkennwerte für FDM-Bauteile zählen
Warum Datenblatt und Bauteil auseinanderliegen
FDM-Materialien im Vergleich
Normen und Prüfverfahren für FDM-Kennwerte
So übernehmen Sie Kennwerte sicher in die Auslegung
Nachbearbeitung: Tempern für höhere Festigkeit
Unsere Sicht aus der Produktion
FDM-Bauteile direkt kalkulieren und bestellen
Häufige Fragen
Quellen

Welche Materialkennwerte für FDM-Bauteile zählen

Ein Datenblatt enthält meist eine Handvoll mechanischer und thermischer Werte. Für die Konstruktion sind sie unterschiedlich wichtig. Die folgende Übersicht zeigt, was jeder Kennwert beschreibt und worauf Sie bei FDM-Teilen achten sollten.

Kennwert	Was er beschreibt	Worauf es beim FDM-Teil ankommt
Zugfestigkeit (MPa)	Maximale Spannung bis zum Versagen unter Zug	Stark abhängig von Druckrichtung und Schichthaftung
E-Modul (MPa bzw. GPa)	Steifigkeit, also Widerstand gegen elastische Verformung	Wird durch Füllgrad und Wandanzahl beeinflusst
Bruchdehnung (%)	Wie weit sich das Material vor dem Bruch dehnt	In Z-Richtung oft deutlich geringer, Bauteil bricht spröde
Biegefestigkeit (MPa)	Belastbarkeit bei Biegung	Relevant für Halter, Clips und Hebel
Schlagzähigkeit (kJ/m²)	Energieaufnahme bei schlagartiger Belastung	Wichtig für Gehäuse und Teile mit Stoßbelastung
Wärmeformbeständigkeit (°C)	Temperatur, ab der sich das Material unter Last verformt	Entscheidend für Teile im Fahrzeug, an Motoren oder in der Sonne
Glasübergangstemperatur (°C)	Übergang vom harten in den weichen Zustand	Grenze für den Dauereinsatz und Basis für das Tempern
Dichte (g/cm³)	Masse pro Volumen des Vollmaterials	Das Bauteil ist durch Hohlräume und Infill leichter
Shore-Härte	Härte von Elastomeren wie TPU	Bestimmt Griff, Dämpfung und Dichtwirkung

Für die meisten Funktionsteile sind Zugfestigkeit, E-Modul und Wärmeformbeständigkeit die ersten drei Werte, die Konstrukteure prüfen. Bei Schnappverbindungen und Clips kommt die Bruchdehnung hinzu, bei Gehäusen die Schlagzähigkeit.

Warum Datenblatt und Bauteil auseinanderliegen

Der häufigste Fehler bei der Auslegung von FDM-Teilen ist, den Wert aus dem Filament-Datenblatt direkt in die Rechnung zu übernehmen. Dafür gibt es drei Gründe.

Spritzguss-Probekörper statt gedruckter Geometrie

Viele Hersteller messen ihre Filamente an spritzgegossenen Probekörpern. Diese sind homogen und nahezu porenfrei. Ein gedrucktes Teil dagegen hat Lufteinschlüsse zwischen den Strängen, eine Rasterstruktur und Bindungsnähte zwischen den Schichten. Eine Übersichtsarbeit zur Anwendbarkeit von Prüfmethoden auf FDM-Werkstoffe beschreibt, dass es keine eigenen Normen für die Charakterisierung von FDM-Werkstoffen gibt und vorhandene Prüfverfahren deshalb mit ihren Grenzen bewertet werden müssen. In der Praxis bedeutet das: Ein gedrucktes Teil kann nur etwa 60 bis 80 % der im Datenblatt genannten Festigkeit erreichen.

Anisotropie: Die Z-Achse ist die Schwachstelle

FDM baut Bauteile Schicht für Schicht auf. Innerhalb einer Schicht sind die Stränge zusammenhängend extrudiert, zwischen den Schichten hält nur die thermische Verschweißung. Eine Übersicht zum Einfluss der Prozessbedingungen auf die mechanischen Eigenschaften zeigt, dass FDM-Teile in Z-Richtung deutlich schwächer sind als in der X-Y-Ebene. Wird ein Teil senkrecht zu den Schichten belastet, löst es sich oft entlang einer Schichtgrenze, bevor der Werkstoff selbst seine Streckgrenze erreicht.

Für die Konstruktion heißt das: Die Hauptlastpfade sollten in der X-Y-Ebene liegen. Wie Sie die Ausrichtung gezielt wählen, zeigen wir im Beitrag zu Druckorientierung und Festigkeit. Die Mechanik dahinter erklärt unser Artikel zur Schichthaftung beim FDM.

Prozessparameter verändern die Kennwerte messbar

Dieselbe Filamentrolle ergibt auf verschiedenen Druckern mit verschiedenen Einstellungen unterschiedlich feste Teile. Eine Meta-Analyse zu Schichthöhe und Probenorientierung kommt zu folgenden Ergebnissen:

Die Bauteilorientierung ist der einflussreichste Faktor und verändert die Zugfestigkeit um bis zu 37 %.
Eine größere Schichthöhe kann die Zugfestigkeit um bis zu 20 % senken.
Die höchste Zugfestigkeit wird meist bei flacher Ausrichtung parallel zur Bauplattform erreicht (0°). Bei 90° lag sie in einzelnen Studien um etwa 12 % niedriger.

Weitere Parameter wie Füllgrad, Anzahl der Wandlinien, Düsentemperatur und Druckgeschwindigkeit wirken zusätzlich. Eine kritische Übersicht zur Optimierung der Festigkeit von FDM-Teilen nennt Festigkeit und Maßhaltigkeit als die beiden Schlüsselgrößen, die über diese Parameter gesteuert werden. Beide lassen sich nicht unabhängig voneinander maximieren.

FDM-Materialien im Vergleich

Konkrete Zahlenwerte unterscheiden sich je nach Hersteller, Rezeptur und Prüfbedingungen stark. Ein seriöser Vergleich ohne Bezug auf ein bestimmtes Datenblatt ist deshalb qualitativ. Die Tabelle zeigt die typischen Stärken der gängigen FDM-Werkstoffe.

Material	Festigkeit und Steifigkeit	Zähigkeit	Temperaturbeständigkeit	Typische Anwendungen
PLA	Hoch steif, gute Zugfestigkeit	Eher spröde	Niedrig	Anschauungsmodelle, Prototypen, Lehren ohne Wärmelast
PETG	Gute Festigkeit	Zäher als PLA	Mittel	Funktionsteile, Halter, Gehäuse
ABS / ASA	Mittlere Festigkeit	Gute Schlagzähigkeit	Mittel bis höher, ASA zusätzlich UV-beständig	Gehäuse, Außenanwendungen, Fahrzeugteile
Nylon (PA)	Hohe Festigkeit	Sehr zäh, verschleißfest	Mittel bis hoch	Zahnräder, Gleitteile, belastete Funktionsteile
PC	Hohe Festigkeit	Zäh	Hoch	Technische Bauteile mit Wärmelast
TPU	Niedrig, flexibel	Sehr hohe Dehnung	Mittel	Dichtungen, Dämpfer, Griffe

Dass Polyamid unter den FDM-Filamenten oft das festeste Material liefert, zeigen auch vergleichende Untersuchungen. Eine Vergleichsstudie zu PLA und ABS belegt außerdem, dass sich das Zugverhalten beider Werkstoffe je nach Fertigungsparametern unterschiedlich verändert. Ein Materialranking gilt also immer nur für einen bestimmten Parametersatz.

Wer zwischen den beiden häufigsten Werkstoffen schwankt, findet im Beitrag PLA vs PETG eine ausführliche Gegenüberstellung. Einen Überblick über alle verfügbaren Werkstoffe bietet unser Materialarchiv, Hilfe bei der Entscheidung gibt die Seite zur Materialauswahl.

Normen und Prüfverfahren für FDM-Kennwerte

Wer Kennwerte vergleichen will, muss wissen, wie sie gemessen wurden. Ohne Angabe von Norm, Probekörper und Druckrichtung ist ein Zahlenwert kaum aussagekräftig.

Zugversuch nach DIN EN ISO 527

Der Zugversuch ist die Grundlage für Zugfestigkeit, E-Modul und Bruchdehnung. Für gedruckte Proben werden meist die Probekörper aus DIN EN ISO 527-2 verwendet. In einer Untersuchung der RWTH Aachen, über die das Fachportal Additive Fertigung berichtet, wurden die Zugversuche nach DIN EN ISO 527 mit Probekörpern vom Typ 1BA und einer Gesamtlänge von 105 mm durchgeführt. Wichtig für die Bewertung: Ein Datenblatt sollte angeben, ob die Proben flach, hochkant oder stehend gedruckt wurden.

Normen speziell für die additive Fertigung

ISO 17296-3 behandelt die Hauptmerkmale und Prüfverfahren für additiv gefertigte Werkstoffe.
ISO/ASTM 52924:2023 führt Eigenschaftsklassen für additiv gefertigte Kunststoffbauteile ein. Die Norm wurde 2023 veröffentlicht und liegt als DIN EN ISO/ASTM 52924 in deutscher Fassung vor. Laut Vorschau der Norm definiert sie Klassen für Bauteileigenschaften sowie Probekörper zur Bestimmung der Kennwerte.
DIN EN ISO/ASTM 52927 legt die Hauptmerkmale und zugehörigen Prüfverfahren für additiv gefertigte Teile fest und unterstützt Anwender und Auftraggeber dabei, die erwartete Qualität vor Produktionsbeginn zu vereinbaren.

Warum anwendungsbezogene Prüfung zählt

Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology hat in einem Bericht zu Prüfnormen für die additive Fertigung von Kunststoffen die Lage der Normung untersucht. Eine zentrale Folgerung für die Praxis: Jede Kombination aus Drucker, Material und Parametern ist als eigener Prozess zu behandeln. Die Auslegung sollte deshalb auf anwendungsbezogenen Prüfungen beruhen und nicht allein auf Rohstoffdatenblättern.

So übernehmen Sie Kennwerte sicher in die Auslegung

Die folgenden Schritte haben sich für Funktionsteile, Ersatzteile und Vorrichtungen bewährt.

Funktion statt Material definieren. Beschreiben Sie, was das Teil leisten muss: Kraft, Temperatur, Medienkontakt, Lebensdauer. Eine Angabe wie „muss 500 N Zugkraft aufnehmen“ ist für die Fertigung aussagekräftiger als „bitte in PLA“.
Lastrichtung festlegen. Bestimmen Sie im CAD-Modell, in welche Richtung die Hauptlast wirkt. Daraus ergibt sich die Druckorientierung.
Datenblatt kritisch lesen. Prüfen Sie, ob die Werte an gedruckten oder an spritzgegossenen Probekörpern gemessen wurden, und in welcher Druckrichtung.
Abminderung einrechnen. Setzen Sie für gedruckte Teile einen reduzierten Kennwert an und für Lasten in Z-Richtung einen zusätzlich reduzierten Wert.
Geometrie anpassen. Wandstärke, Rundungen an Kerben und die Anzahl der Wandlinien wirken oft stärker als ein Materialwechsel. Mindestwerte finden Sie im Beitrag zur FDM-Wandstärke, allgemeine Regeln in den Designrichtlinien FDM.
Am echten Teil prüfen. Bei sicherheitsrelevanten oder hoch belasteten Teilen lohnt ein Prototyp oder Prüfkörper mit identischen Parametern. Für komplexe Lastfälle kann eine Simulation helfen, siehe unseren Beitrag zu FEM für 3D-Druckteile.

Rechenbeispiel: vom Datenblatt zur zulässigen Spannung

Das folgende Beispiel verwendet einen angenommenen Wert, um den Rechenweg zu zeigen. Es ersetzt keine Prüfung.

Angenommene Zugfestigkeit laut Datenblatt (Spritzguss-Probekörper): 50 MPa
Abminderung für das gedruckte Teil mit dem Faktor 0,6 bis 0,8: 30 bis 40 MPa in der X-Y-Ebene
Belastung quer zu den Schichten: weiterer deutlicher Abschlag, da die Schichthaftung versagt, bevor der Werkstoff selbst nachgibt
Sicherheitsfaktor nach Anwendung: Bei einem Faktor von 2 bleiben für die Auslegung in X-Y-Richtung rechnerisch 15 bis 20 MPa

Das Beispiel zeigt, warum ein Teil, das „laut Datenblatt“ halten müsste, in der Praxis bricht. Der Abstand zwischen Rohwert und nutzbarem Wert ist bei FDM größer als bei spritzgegossenen Teilen. Bei Bauteilen, deren Versagen Menschen oder Anlagen gefährden kann, sollten Sie Sicherheitsfaktor und Prüfumfang mit einem Konstrukteur oder Prüflabor festlegen.

Nachbearbeitung: Tempern für höhere Festigkeit

Eine nachträgliche Wärmebehandlung kann die Kennwerte verbessern. Beim Tempern wird das Bauteil auf eine Temperatur nahe der Glasübergangstemperatur erwärmt. Die Molekülketten diffundieren stärker über die Schichtgrenzen, die Haftung zwischen den Schichten steigt. Eine Studie zu Prozessparametern und Nachbearbeitung von PLA untersucht, wie Druckparameter und Nachbearbeitung die mechanischen Eigenschaften beeinflussen.

Der Nachteil: Ohne Vorrichtung oder gestützte Abkühlung verzieht sich das Teil. Unkontrollierte Schwindung ist die häufigste Ursache für Maßabweichungen nach dem Tempern. Tempern ist deshalb kein Standardschritt, sondern eine gezielte Maßnahme. Toleranzen sollten vorher feststehen. Wie Sie Passungen und Toleranzen richtig planen, erklärt unser Beitrag zu 3D-Druck-Passungen.

Unsere Sicht aus der Produktion

In unserer Fertigung laufen über 45 Maschinen rund um die Uhr. Täglich sehen wir, dass dieselbe Frage am Anfang fast jedes technischen Auftrags steht: Hält das Teil? Die ehrliche Antwort darauf liefert selten das Filament-Datenblatt allein, sondern die Kombination aus Material, Orientierung, Wandaufbau und Einsatzbedingung.

Deshalb empfehlen wir unseren Kunden:

Belastung beschreiben, nicht nur das Material nennen. Wenn wir wissen, wo die Kraft angreift und welche Temperatur herrscht, können wir Material und Druckrichtung passend wählen.
Früh einen Prototyp bestellen. Durch unsere schnelle Fertigung ist ein Testteil oft schneller im Haus als jede Diskussion über Datenblätter beendet ist.
Beratung nutzen. Bei Ersatzteilen, Vorrichtungen und Kleinserien prüfen wir gemeinsam mit Ihnen, ob eine Anpassung der Geometrie mehr bringt als ein teureres Material.

Unsere Erfahrung: Die meisten Ausfälle von FDM-Teilen liegen nicht am Werkstoff, sondern an einer Last quer zu den Schichten. Wer das von Anfang an einplant, bekommt stabile, kostengünstige Bauteile.

— Crazy

FDM-Bauteile direkt kalkulieren und bestellen

Sie haben Ihr CAD-Modell fertig und kennen die Anforderungen? Über unseren FDM-Druck-Service laden Sie die Datei hoch und erhalten im Konfigurator sofort einen Preis. Wir fertigen Prototypen, Ersatzteile und Kleinserien in vielen Materialien, ohne Einrichtungsgebühren und mit Lieferung ab 1 Tag. Wenn Sie unsicher sind, welches Material Ihre Kennwerte erfüllt, unterstützt Sie unsere Konstruktionsberatung für den 3D-Druck persönlich.

Häufige Fragen

Was bedeutet FDM beim 3D-Drucker?

FDM steht für Fused Deposition Modeling. Ein thermoplastisches Filament wird in einer beheizten Düse geschmolzen und Schicht für Schicht abgelegt. Das Verfahren wird auch als FFF (Fused Filament Fabrication) bezeichnet und gehört zur Gruppe der Materialextrusion.

Warum ist mein gedrucktes Teil schwächer als im Datenblatt angegeben?

Datenblätter beruhen häufig auf spritzgegossenen Probekörpern ohne Hohlräume. Gedruckte Teile haben Lufteinschlüsse, Rasterstrukturen und Schichtgrenzen und erreichen daher oft nur 60 bis 80 % des angegebenen Werts. Belastung quer zu den Schichten senkt die Festigkeit zusätzlich.

Was ist der Unterschied zwischen FDM und SLA bei den Materialeigenschaften?

FDM schmilzt Thermoplaste, SLA härtet flüssiges Photopolymer-Harz mit Licht aus. SLA-Teile sind weitgehend isotrop und bieten eine glattere Oberfläche und höhere Maßgenauigkeit. FDM eignet sich besser für belastete Funktionsteile aus technischen Thermoplasten.

Wie genau ist ein FDM-Drucker?

Die erreichbare Toleranz hängt von Bauteilgröße, Material, Düse, Schichthöhe und Orientierung ab. Thermische Schwindung beim Abkühlen ist die wichtigste Ursache für Maßabweichungen. Bei Passungen sollten Sie die Toleranzen vor dem Druck festlegen und kritische Maße mit dem Fertiger abstimmen.