Lösliche Filamente zur Unterstützung

Eine der Haupteinschränkungen des FFF-3D-Drucks im Vergleich zu anderen additiven Fertigungstechnologien ist die Notwendigkeit, dass der gedruckte Bereich jeder Schicht von einer vorhergehenden gedruckten Schicht unterstützt wird. Das bedeutet, dass jeder Teil mit einem Überhang von mehr als 45º oder jeder Steg, der länger als 10 mm ist, Stützstrukturen erfordert.

Bei FFF-3D-Druckern mit einem Extruder besteht die einzige Möglichkeit zur Erzeugung von Stützstrukturen in der Verwendung des gleichen Druckmaterials wie das Teil. Diese Stützen müssen nach dem Druck mechanisch entfernt werden, und es werden verschiedene Strategien angewandt, um diese Aufgabe zu erleichtern, wie z. B. die Herstellung dieser Stützen mit Strukturen geringer Dichte und das Belassen einer Trennschicht zwischen der Stütze und dem Teil. Dadurch können die Stützen manuell und ohne den Einsatz von Werkzeugen entfernt werden, obwohl die Oberflächen, die mit den Stützen in Kontakt kommen, oft schlecht bearbeitet sind.

Bild 1: Klammern an 3D-gedruckten Teilen. Quelle: 3DHubs

Bei FFF-3D-Druckern mit dualen Extrudern erweitert sich das Spektrum der Möglichkeiten, da nicht dasselbe Material für das Teil und für die Stützen verwendet werden muss. Dies öffnet die Tür zur Verwendung von Materialien, die in Lösungsmitteln löslich sind, die das Teilematerial nicht auflösen. Dadurch ist es möglich, dichte Auflagen in Kontakt mit dem Werkstück zu verwenden, die ein hervorragendes Finish an der Kontaktfläche garantieren.

Bild 2: Raise3D Pro2 Dual-Extruder. Quelle: Raise3D

Es gibt eine Vielzahl von löslichen Stützfilamenten, die jedoch nicht alle gleich sind oder die gleiche Kompatibilität aufweisen. Bei der Auswahl eines löslichen Trägermaterials ist es wichtig, eine Reihe von Eigenschaften zu berücksichtigen, um die Kompatibilität mit den verwendeten Medien sicherzustellen. Diese Merkmale sind:

• Es muss in einem Lösungsmittel löslich sein, das die Eigenschaften des im Teil verwendeten Materials nicht beschädigt oder beeinträchtigt.

• Es muss thermisch kompatibel mit dem Filament des Teils sein, also ähnliche Druck- und Basistemperaturen sowie ähnliche Erweichungstemperaturen aufweisen.
• Es muss eine gute Haftung mit dem im Teil verwendeten Material aufweisen.
• Sie muss leicht bedruckbar sein und eine gute Haftung zwischen den Schichten aufweisen.

Zur Zeit sind hauptsächlich drei Arten von löslichen Trägermaterialien zu finden:

• In organischen Lösungsmitteln lösliche Filamente

• Wasserlösliche Filamente durch Verwendung eines Aktivators
• Wasserlösliche Filamente

FILAMENTE, DIE IN ORGANISCHEN LÖSUNGSMITTELN LÖSLICH SIND.

Dies sind Materialien mit ähnlichen Eigenschaften wie das im Teil verwendete Material, die jedoch in einem Lösungsmittel gelöst werden können, das das Material, das sie ergänzen, nicht angreift oder auflöst.

Derzeit gibt es nicht viele Möglichkeiten dieser Art von Filamenten, was hauptsächlich auf zwei Probleme zurückzuführen ist: Einerseits haben die Materialien ähnliche physikochemische Eigenschaften, die sie miteinander kompatibel machen, was auch dazu führt, dass sie sich im Allgemeinen in den meisten Lösungsmitteln ähnlich verhalten, so dass es schwierig ist, ein geeignetes Lösungsmittel zu finden. Andererseits sind viele dieser organischen Lösungsmittel hochgiftig oder für die Mehrheit der Anwender nicht zugänglich und erfordern eine spezielle Abfallbehandlung.

Bild 3: D-Limonen. Quelle: Filament2print

Das am häufigsten verwendete Filament dieser Art ist HIPS, dessen Eigenschaften es mit den meisten ABS- und ASA-basierten Materialien kompatibel machen. Es hat nicht nur ähnliche thermische Eigenschaften, sondern haftet auch gut an diesen. Es ist derzeit eines der am häufigsten verwendeten Trägermaterialien, nicht nur wegen seiner Kompatibilität mit ABS, sondern auch wegen seiner geringen Kosten und weil es in D-Limonen löslich ist, einem zugänglichen, kostengünstigen und wenig toxischen organischen Lösungsmittel.

WASSERLÖSLICHE FILAMENTE DURCH DEN EINSATZ EINES AKTIVATORS.

Dies sind Polymere auf ATP-Basis (Acrylat-Terpolymere). Diese Art von Materialien haben die Eigenschaft, in alkalischen Lösungen löslich zu sein. Sie haben eine ausgezeichnete Kompatibilität mit ABS- und ASA-basierten Materialien und können auch mit Polycarbonat verwendet werden (obwohl ihre Kompatibilität etwas geringer ist).

Sie sind nicht direkt wasserlöslich, da sie einen alkalischen pH-Wert des Wassers benötigen. Daher ist es notwendig, einen Aktivator zu verwenden, der aus einem Puffer besteht, wie z. B. 3DWash.

Bild 4: 3DWash. Quelle: Traxer

Sie sind eine perfekte Alternative zu HIPS, nicht nur, weil sie keine organischen Lösungsmittel benötigen, sondern auch, weil es sich um Filamente handelt, die speziell für die Verwendung als Trägermaterial entwickelt und additiviert wurden, so dass sie sich im Allgemeinen schneller auflösen und weniger Rückstände auf dem Teil hinterlassen.

Video 1: Video-Präsentation von PolyDissolve S2. Quelle: Polymaker

Repräsentative Filamente sind PolyDissolve S2 und Z-SUPPORT ATP.

WASSERLÖSLICHE FILAMENTE

Eines der Hauptziele der Hersteller war es, Stützfäden zu erhalten, die direkt in Wasser löslich sind. Das liegt daran, dass es keine organischen Lösungsmittel oder alkalischen Lösungen benötigt, was es für die meisten Anwender zur sichersten und zugänglichsten Alternative macht.

Aus diesem Grund ist es die Kategorie mit der größten Vielfalt an unterschiedlichen Materialien und mit Optionen, die mit einer Vielzahl von Filamenten kompatibel sind.

Innerhalb der wasserlöslichen Filamente können zwei Typen unterschieden werden:

Wasserlösliche Filamente, die mit Niedertemperaturmaterialien kompatibel sind: Dies sind Filamente auf Basis von PVA (Polyvinylalkohol) oder BVOH (Butenodiolvinylalkohol). Beide Materialien haben eine ausgezeichnete Kompatibilität mit PLA und können mit PA verwendet werden (obwohl deren Kompatibilität nicht so gut ist). BVOH kann als eine Weiterentwicklung von PVA betrachtet werden und hat gegenüber diesem eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. eine größere Kompatibilität mit PETG oder sogar mit einigen flexiblen Filamenten und eine höhere Auflösungsrate in kaltem Wasser. Einige PVA-Filamente sind LAY-PVA oder PVA Raise, während Mowiflex oder Z-SUPPORT Premium auf BVOH basieren.

Video 2: Vergleich zwischen PVA und BVOH. Quelle: BCN3D

Wasserlösliche Filamente, die mit Hochtemperaturmaterialien kompatibel sind: Dies sind die fortschrittlichsten Stützfilamente, die derzeit verfügbar sind. Sie bestehen aus einem Material, das sich aus einer Mischung eines wasserlöslichen Polymers (ähnlich wie die vorherigen) und eines Zuckers zusammensetzt, in der Regel Trehalose, ein Polysaccharid, das schnell in Wasser löslich ist und eine hohe thermische Stabilität aufweist. Das Verhältnis zwischen Polymer und Zucker, zusammen mit der Verwendung bestimmter spezifischer Additive jedes Herstellers, macht es möglich, verschiedene Formulierungen von wasserlöslichen Materialien zu erhalten, die mit Materialien in einem breiten Temperaturbereich kompatibel sind, von ABS bis PEEK oder ULTEM.

Bild 5: PA-CF-Teil mit Halterungen aus Aquatek X1. Quelle: 3DXTech

Einige Filamente wie Aquasys 120 oder Aquatek X1 sind sowohl mit PLA als auch mit ABS, ASA, PA, PETG oder bestimmten flexiblen Filamenten kompatibel. Aquasys 120 kann auch mit PC oder PP verwendet werden. Darüber hinaus halten beide Materialien Kammertemperaturen von bis zu 120°C aus und sind daher auch für den Einsatz in Industriedruckern geeignet.

Eine Stufe darüber ist Aquasys 180, das wahrscheinlich fortschrittlichste und kompatibelste Trägermaterial, das heute erhältlich ist. Er ist nicht nur mit den gleichen Materialien wie Aquasys 120 kompatibel, sondern kann auch mit PEKK, PEEK, ULTEM und PPSU verwendet werden, da er Kammertemperaturen von bis zu 180 °C standhält.

Bild 6: Teil mit Halterungen aus Aquasys 180: Infinite Material Solutions

Der Hauptvorteil dieser Art von Filamenten (ihre hohe Wasserlöslichkeit) ist jedoch auch ihr größter Nachteil, da sie sehr empfindlich auf die Umgebungsfeuchtigkeit reagieren. Dies macht es notwendig, diese Art von Filamenten in speziellen Behältern aufzubewahren, sowohl bei der Lagerung als auch bei der Verwendung. Außerdem verschlechtert sich die Haftung dieser Fäden, wenn sie Feuchtigkeit aufnehmen, und die Gefahr des Verstopfens steigt.

WIE SIE DAS AM BESTEN GEEIGNETE LÖSLICHE FILAMENT AUSWÄHLEN.

Bei der Auswahl des am besten geeigneten löslichen Filaments ist es notwendig, das Material zu analysieren, das es ergänzen soll.

• ABS/ASA: Im Allgemeinen ist es ratsam, die Verwendung von HIPS zu vermeiden, da sie den Umgang mit organischen Lösungsmitteln beinhaltet und Abfall erzeugt, der nicht direkt entsorgt werden kann. In diesem Fall ist die Verwendung von wasserlöslichen ATP-Filamenten mit Hilfe eines Aktivators die empfehlenswerteste Option. Sie weisen eine ausgezeichnete Kompatibilität mit diesen Materialien auf und sind wenig feuchtigkeitsempfindlich, wodurch sie einfacher zu lagern und zu verwenden sind und das Risiko eines Druckausfalls minimiert wird.

• PLA: Die Materialien mit der besten Kompatibilität mit PLA sind die auf Basis von PVA und BVOH. Innerhalb dieser sind diejenigen, die auf BVOH basieren, weniger feuchtigkeitsempfindlich, obwohl diejenigen, die auf PVA basieren, im Allgemeinen etwas günstiger sind.

• PETG/PA: Obwohl es möglich ist, PVA und BVOH als Trägermaterial mit PETG und PA zu verwenden, ist ihre Kompatibilität nicht besonders gut. In diesem Fall sind wasserlösliche Filamente, die mit Hochtemperaturmaterialien kompatibel sind, wie Aquasys 120, die beste Option.

• Flexibles: Die Kompatibilität zwischen Trägermaterialien und flexiblen Materialien war noch nie besonders gut. Es ist möglich, BVOH oder Materialien wie Aquasys 120 mit einigen flexiblen Filamenten zu verwenden, es muss jedoch jedes flexible Filament getestet werden, um die Kompatibilität zu überprüfen.

• PEEK/PEKK/PEI/PPSU: In diesem Fall ist die beste Option die Verwendung von Aquasys 180, da dieses Material die beste Kompatibilität mit dieser Art von Material garantiert und die beste thermische Stabilität bei hohen Temperaturen aufweist.

• Wenn Sie normalerweise lösliche Medien mit verschiedenen Materialien verwenden, ist es ideal, ein einziges Medium zu verwenden, das mit allen Materialien kompatibel ist, wie z. B. Aquasys 120 oder Aquatek X1, anstatt für jedes Material ein anderes Medium zu haben.

Obwohl lösliche Filamente im Allgemeinen als eine einzige Gruppe bezeichnet werden, bestehen sie in Wirklichkeit aus verschiedenen Materialien mit ihren eigenen, sehr spezifischen Eigenschaften. Heutzutage ist es möglich, hochwertige lösliche Filamente zu finden, die mit fast jedem Material auf dem Markt kompatibel sind, von PLA bis PEEK.