Konservierung von 3D-Druckerzeugnissen

Hinweis: Dieser Leitfaden behandelt die Konzepte auf allgemeine Weise und ohne sich auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell zu konzentrieren, obwohl sie an einigen Stellen erwähnt werden können. Es können wichtige Unterschiede bei den Kalibrierungs- oder Einstellungsverfahren zwischen verschiedenen Marken und Modellen bestehen, daher wird empfohlen, das Handbuch des Herstellers zu konsultieren, bevor Sie diese Anleitung lesen.

Die endgültige Qualität der gedruckten Teile wird stark von der Qualität des für die Herstellung des Filaments verwendeten Rohstoffs sowie von der Konservierung des Filaments beeinflusst.

Denn je homogener und konstanter die Filamenteigenschaften sind, desto gleichmäßiger ist die Extrusion und desto besser ist die Oberflächenqualität des Endprodukts.

Was die Qualität des Rohmaterials betrifft, so kann die Verwendung von Harzen verschiedener Hersteller oder der Zusatz von Recyclingmaterial die thermischen und rheologischen Eigenschaften des Materials beeinflussen. Wenn die Mischung nicht völlig einheitlich ist, können die Eigenschaften im gesamten Filament variieren, was zu kleinen Unregelmäßigkeiten bei der Extrusion führt, die sich im Teil widerspiegeln. Deshalb ist der Kauf von Qualitätsfilamenten von renommierten und zuverlässigen Herstellern oft die beste Option, wenn es um die höchste Druckqualität geht.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Erhaltung des Fadens. Auch das beste Filament kann schlechte Qualität oder unerwartete Ergebnisse liefern, wenn es nicht richtig gelagert wird. Temperatur und Feuchtigkeit können die Eigenschaften von Druckmaterialien verändern und verschlechtern.

Einfluss von Feuchtigkeit auf Filamente

Einer der kritischen Faktoren bei der Konservierung von Druckmaterialien und derjenige, der oft die meisten Probleme verursacht, ist die Konservierung von Filamenten in feuchter Umgebung.

Bild 1: Gedrucktes Teil mit einem Filament ohne Feuchtigkeit (links) und mit Feuchtigkeit (rechts). Quelle: all3dp.com

Alle Kunststoffe haben eine Eigenschaft, die als Hygroskopizität bekannt ist. Diese Eigenschaft beschreibt die Fähigkeit des Materials, Feuchtigkeit zu absorbieren.

Alle Filamente nehmen mehr oder weniger stark Feuchtigkeit auf, aber Kunststoffe werden häufig in hygroskopisch und nicht hygroskopisch eingeteilt.

Hygroskopische Kunststoffe haben eine hohe Affinität zur Aufnahme von Feuchtigkeit in großen Mengen. Diese Feuchtigkeit wird auf molekularer Ebene im gesamten Material absorbiert, sogar im Inneren des Filaments. Innerhalb der Filamente werden folgende Materialien als hygroskopisch angesehen:

• ABS
• ASA
• PETG
• CPE
• Nylon
• PC
• TPE
• TPU
• Alle Ableitungen der oben genannten

Um eine optimale Druckqualität zu gewährleisten, ist es ratsam, diese Materialien regelmäßig zu trocknen. Einige, wie Nylon oder PC, müssen vor jedem Gebrauch getrocknet werden, während andere, wie ABS oder ASA, aufgrund ihrer geringen Hygroskopizität auch bei Feuchtigkeit akzeptable Ergebnisse liefern. Um die Trockenzeit der Filamente zu verkürzen, ist es ratsam, sie in luftdichten Behältern mit Trockenmittel feucht zu halten.

Bild 2: Mit nassem Nylon-Filament gedrucktes Teil vor dem Trocknen (rechts) und nach dem Trocknen (links). Quelle: all3dp.com

Im Allgemeinen erholen sich solche Filamente nach dem Trocknen vollständig, es gibt jedoch einige spezielle Fälle von hygroskopischen Kunststoffen, bei denen es nicht möglich ist, das Material nach dem Trocknen vollständig zu regenerieren. Diese Materialien sind:

• PLA
• PVB
• PVA
• BVOH
• Jedes Filament, das aus den oben genannten Materialien oder aus wasserlöslichen Trägermaterialien gewonnen wird

Das Vorhandensein von Feuchtigkeit in diesen Materialien bewirkt einen Effekt, der als Hydrolyse bekannt ist. Bei diesem Prozess spalten die Wassermoleküle die Estergruppen des Polymers auf und verursachen so den natürlichen Abbau des Materials. Nach diesem Prinzip lösen sich z. B. PVA-Träger in Wasser auf..

Für diese Materialien ist die Lagerung von entscheidender Bedeutung, und sie müssen bei der Lagerung stets frei von Feuchtigkeit gehalten werden.

Bild 3: Printdry-Behälter für die Vakuum-Filamentspeicherung. Quelle: Printdry.com

Einige Filamente, wie z. B. PLA, haben eine sehr langsame Hydrolysegeschwindigkeit, so dass es Wochen dauert, bis sich das Material in Gegenwart von Feuchtigkeit zersetzt. In diesen Fällen kann die Spule während des Drucks der Luft ausgesetzt werden und muss nur während der Lagerung trocken gehalten werden. Es ist ratsam, das Material regelmäßig zu trocknen, um seine Lebensdauer zu verlängern. Der Hauptindikator dafür, dass ein PLA-Filament durch Hydrolyse abgebaut wurde, ist die Versprödung des Materials. Ein durch Feuchtigkeit degradiertes PLA ist spröde und neigt leicht zum Bruch. In diesen Fällen hilft das Trocknen des Filaments, eine akzeptable Druckqualität zu erreichen, aber die Eigenschaften des Materials werden nicht wiederhergestellt, so dass die hergestellten Teile auch spröder sind.

Bild 4: Printdry pro Aktiv-Filamenttrockner. Quelle: Printdry.com

Bei wasserlöslichen Trägermaterialien wie PVA oder BVOH ist die Hydrolysegeschwindigkeit sehr hoch und das Material kann sich innerhalb weniger Stunden nach der Exposition zersetzen. Es wird dringend empfohlen, diese Materialien auch während des Drucks in speziellen Behältern aufzubewahren. In diesem Fall kann das Trocknen der Spule nützlich sein, wenn das Material nicht lange der Feuchtigkeit ausgesetzt war, aber wenn es nicht richtig konserviert wurde, ist es in den meisten Fällen nicht mehr zu retten.Ein nasses PVA- oder BVOH-Filament haftet nur sehr schlecht und führt in vielen Fällen zu Verstopfungen in der Heizvorrichtung.

Obwohl diese Art von Material am besten vakuumverpackt gelagert werden sollte, ist es am gebräuchlichsten, es in luftdichten Behältern mit Trockenmittel aufzubewahren. Letzteres wird jedoch oft nur unzureichend getan.

Das am häufigsten verwendete Trockenmittel ist Kieselgel, das aus mikroporösen Natriumsilikatkügelchen besteht, die in der Lage sind, eine große Menge an Feuchtigkeit zu binden. Dieses Trockenmittel hat eine begrenzte Kapazität, Feuchtigkeit zu binden, und wenn es gesättigt ist, verliert es seine Wirksamkeit vollständig.

Bild 5: Kieselgelbeutel. Quelle: Pixabay.com

Die Trockenmittelbeutel, die die Fäden enthalten, sind in der Regel fast gesättigt, wenn wir ein Material kaufen, da die Hersteller sie beifügen, um Feuchtigkeit aus dem Inneren des luftdichten Beutels zu entfernen und die Konservierung des Materials während der Lagerung vor dem Verkauf sicherzustellen. Beim ersten Öffnen eines neuen Fadens wird jedoch Feuchtigkeit in den luftdichten Beutel zurückgeführt, so dass es ratsam ist, die Trockenmittelbeutel regelmäßig zu ersetzen.

Es empfiehlt sich, wiederverwendbares Kieselgel zu kaufen. Dieses Material verfärbt sich, wenn es mit Feuchtigkeit gesättigt ist, was bedeutet, dass es ersetzt werden muss. Gesättigtes Kieselgel kann für die Wiederverwendung unbegrenzt regeneriert werden, indem es einige Stunden lang bei 180 °C im Ofen erhitzt wird.

Bild 6: Wiederverwendbares Silikagel mit Feuchtigkeitsindikator. Quelle: labchem-wako.fujifilm.com/

Einige 3D-Druckmaterialien gelten als nicht hygroskopisch und erfordern daher keine besonderen Konservierungsmaßnahmen. Diese sind:

• PP
• HIPS
• PVC

Einfluss der Temperatur auf die Filamente

Die Temperatur ist normalerweise kein kritischer Faktor bei der Konservierung von 3D-Druckfilamenten. Es gibt jedoch einen Faktor, der in bestimmten Situationen Probleme verursachen kann.

Alle Thermoplaste, ob amorph oder teilkristallin, haben eine Eigenschaft, die als Glasübergangstemperatur (Tg) bezeichnet wird. Wenn ein Kunststoff über seine Glasübergangstemperatur hinaus erhitzt wird, wird er viskoelastisch, d. h., jede Verformung des Materials wird dauerhaft.

Im Allgemeinen haben alle Filamente eine Tg, die weit über den üblichen Lagertemperaturen liegt, doch kann es zu Problemen kommen, wenn man versucht, ein Filament mithilfe der Temperatur zu trocknen. Es ist sehr wichtig, die Tg nicht über längere Zeit zu überschreiten, da dies zu Schwankungen des Filamentdurchmessers oder im Extremfall zum Verschmelzen von Filamentfragmenten führen kann. Aus diesem Grund sollte das Filament nicht in Küchenöfen getrocknet werden, da diese die Temperatur nicht ausreichend kontrollieren können.

Andererseits haben PLA-Filamente, vor allem die hochwertigeren, eine sehr niedrige Tg zwischen 45°C und 55°C. Dadurch kann diese Temperatur in bestimmten, häufig vorkommenden Situationen überschritten werden, z. B. im Innenraum eines Autos im Sommer. Dadurch ist es möglich, diese Temperatur in bestimmten Situationen zu überschreiten, z. B. im Sommer im Innenraum eines Autos.

Es ist sehr wichtig, 3D-Druckmaterialien vor Feuchtigkeit zu schützen, um eine gute Endqualität der Teile zu erreichen. Einige Materialien wie Nylon oder PETG können leicht getrocknet werden, um ihre Eigenschaften zu regenerieren, aber andere wie PLA oder PVA zersetzen sich in Gegenwart von Feuchtigkeit und verändern ihre Eigenschaften dauerhaft. Bei der Hitzetrocknung von Filamenten ist es sehr wichtig, spezielle Geräte zu verwenden, die in der Lage sind, die Temperatur genau zu steuern, um Verformungen des Filaments zu vermeiden, die den Druck beeinträchtigen könnten.

Um eine optimale Druckqualität und eine maximale Konservierung des Materials zu gewährleisten, muss es unter den richtigen Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen gelagert werden.