Lösliche Filamente zur Unterstützung

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

Auf FFF-3D-Druckern mit einem einzelnen Extruder ist die einzige Option zum Generieren von Stützstrukturen die Verwendung des gleichen Druckmaterials wie beim Teil. Diese Stützen müssen mechanisch nach Abschluss des Drucks entfernt werden, und verschiedene Strategien werden angewendet, um dies zu erleichtern, wie die Herstellung dieser Stützen mit Strukturen geringer Dichte und das Einlassen einer Trennschicht zwischen der Stütze und dem Teil. Dies ermöglicht es, die Stützen manuell ohne Verwendung von Werkzeugen zu entfernen, obwohl die Oberflächen, die mit den Stützen in Kontakt kommen, oft schlecht verarbeitet sind.

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

Auf FFF-3D-Druckern mit doppeltem Extruder erweitert sich die Palette der Optionen, da es nicht notwendig ist, das gleiche Material für das Teil und die Stützen zu verwenden. Dies öffnet die Tür zur Verwendung von Materialien, die in Lösungsmitteln löslich sind, die das Material des Teils nicht auflösen. Dies ermöglicht die Verwendung dichter Stützen im Kontakt mit dem Werkstück, die eine ausgezeichnete Oberflächenqualität auf der Kontaktfläche gewährleisten.

Bild 2: Raise3D Pro2 Doppeldrucker. Quelle: Raise3D

Es gibt viele verschiedene lösliche Stützfilamente, aber sie sind nicht alle gleich, und sie haben auch nicht alle die gleiche Kompatibilität. Bei der Auswahl eines löslichen Trägermaterials ist es wichtig, eine Reihe von Eigenschaften zu berücksichtigen, um die Kompatibilität mit dem verwendeten Druckmaterial sicherzustellen. Diese Merkmale sind:

• Es muss löslich in einem Lösungsmittel sein, das das Material des Teils nicht beschädigt oder beeinträchtigt.

• Es muss thermisch mit dem Filament des Teils kompatibel sein, sodass es ähnliche Druck- und Basis-Temperaturen sowie ähnliche Erweichungstemperaturen haben muss.
• Es muss eine gute Haftung mit dem Material haben, das im Teil verwendet wird.
• Es muss leicht bedruckbar sein und eine gute Haftung zwischen den Schichten aufweisen.

Derzeit gibt es drei Haupttypen von löslichen Trägermaterialien:

• Lösliche Filamente in organischen Lösungsmitteln
• Wasserlösliche Filamente unter Verwendung eines Aktivators
• Wasserlösliche Filamente

LÖSLICHE FILAMENTE IN ORGANISCHEN LÖSUNGSMITTELN.

Dies sind Materialien mit ähnlichen Eigenschaften wie das im Teil verwendete Material, die jedoch in einem Lösungsmittel löslich sind, das das ergänzende Material nicht angreift oder auflöst.

Derzeit gibt es nicht viele Optionen für diese Art von Filamenten, hauptsächlich aufgrund von zwei Problemen: Zum einen verhalten sich Materialien mit ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften, die sie miteinander kompatibel machen, im Allgemeinen auch ähnlich mit den meisten Lösungsmitteln, was es schwierig macht, ein geeignetes Lösungsmittel zu finden. Andererseits sind viele dieser organischen Lösungsmittel sehr giftig oder für die meisten Benutzer nicht zugänglich und erfordern eine spezialisierte 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. Neben ähnlichen thermischen Eigenschaften hat es eine gute Haftung an ABS und ASA. Es ist derzeit eines der am weitesten verbreiteten Trägermaterialien, nicht nur wegen seiner Kompatibilität mit ABS, sondern auch wegen seiner geringen Kosten und weil es in D-Limonen löslich ist, einem zugänglichen, preiswerten und wenig giftigen organischen Lösungsmittel.

WASSERLÖSLICHE FILAMENTE DURCH DIE VERWENDUNG EINES AKTIVATORS.

Dies sind ATP-basierte Polymere (Acrylat-Terpolymer). Diese Materialien sind löslich in alkalischen Lösungen. Sie haben hervorragende Kompatibilität mit ABS- und ASA-basierten Materialien und können auch mit Polycarbonat verwendet werden (obwohl ihre Kompatibilität etwas geringer ist).

Sie sind nicht direkt in Wasser löslich, da sie Wasser mit einem alkalischen pH-Wert benötigen, daher ist die Verwendung eines Pufferaktivators, wie 3DWash, erforderlich.

Bild 4: 3DWash. Quelle: Traxer

Sie sind eine perfekte Alternative zu HIPS, nicht nur, weil sie keine Verwendung von organischen Lösungsmitteln erfordern, sondern auch, weil sie speziell für den Einsatz als Trägermaterial entwickelte und additivierte Filamente sind, sodass sie im Allgemeinen schneller auflösen und weniger Rückstände am Teil hinterlassen.

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

Einige repräsentative Filamente sind PolyDissolve S2 und Z-SUPPORT ATP.

WASSERLÖSLICHE FILAMENTE

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

Deshalb ist dies die Kategorie mit der größten Vielfalt an verschiedenen Materialien und Optionen, die mit einer breiten Palette von Filamenten kompatibel sind.

Innerhalb der wasserlöslichen Filamente lassen sich zwei Arten unterscheiden:

Wasserlösliche Filamente kompatibel mit Materialien mit niedriger Temperatur: Diese sind Filamente auf Basis von PVA (Polyvinylalkohol) oder BVOH (Butendiol-Vinylalkohol). Beide Materialien haben ausgezeichnete Kompatibilität mit PLA und können mit PA verwendet werden (obwohl ihre Kompatibilität nicht so gut ist). BVOH kann als Weiterentwicklung von PVA angesehen werden und bietet einige Vorteile gegenüber PVA, wie eine bessere 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 kompatibel mit Materialien mit hoher Temperatur: Dies sind die fortschrittlichsten Stützfilamente, die derzeit verfügbar sind. Sie bestehen aus einem Materialgemisch aus einem wasserlöslichen Polymer (ähnlich wie bei den zuvor genannten) und einem Zucker, normalerweise Trehalose, ein Polysaccharid, das schnell in Wasser löslich ist und eine hohe thermische Stabilität aufweist. Das Verhältnis zwischen Polymer und Zucker sowie die Verwendung bestimmter Additive, die spezifisch für jeden Hersteller sind, ermöglicht es, verschiedene Formulierungen von wasserlöslichen Materialien zu erhalten, die mit Materialien in einem weiten Temperaturbereich, von ABS bis hin zu PEEK oder ULTEM, kompatibel sind.

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

Einige Filamente wie Aquasys 120 oder Aquatek X1 sind kompatibel mit PLA sowie ABS, ASA, PA, PETG oder bestimmten flexiblen Filamenten. Aquasys 120 kann auch mit PC oder PP verwendet werden. Darüber hinaus können beide Materialien Temperaturen von bis zu 120°C standhalten und sind daher auch für den Einsatz in industriellen Druckern geeignet.

Eine Stufe darüber ist Aquasys 180, wahrscheinlich das fortschrittlichste und kompatibelste Stützmaterial, das derzeit verfügbar ist. Neben der Kompatibilität mit den gleichen Materialien wie Aquasys 120 kann es mit PEKK, PEEK, ULTEM und PPSU verwendet werden, da es Temperaturen von bis zu 180°C standhalten kann.

Bild 6: Teil mit Stützen aus Aqusys 180. Quelle: Infinite Material Solutions

Der Hauptvorteil dieser Filamenttypen (ihre hohe Wasserlöslichkeit) ist jedoch auch ihr Hauptnachteil, da sie äußerst empfindlich gegenüber Umgebungsluftfeuchtigkeit sind. Dies macht es erforderlich, diese Filamente in speziellen Behältern aufzubewahren, sowohl während der Lagerung als auch während des Gebrauchs. Darüber hinaus verschlechtert sich bei Feuchtigkeitsaufnahme die Haftung dieser Filamente und das Risiko von Verstopfungen steigt.

WIE MAN DAS AM BESTEN GEEIGNETE LÖSLICHE FILAMENT AUSWÄHLT.

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

• ABS/ASA: Im Allgemeinen ist es ratsam, den Einsatz von HIPS zu vermeiden, da dies den Umgang mit organischen Lösungsmitteln erfordert und Abfälle erzeugt, die nicht direkt entsorgt werden können. In diesem Fall sind wasserlösliche ATP-Filamente mit der Verwendung eines Aktivators die empfohlenste Option. Sie haben eine ausgezeichnete Kompatibilität mit diesen Materialien und sind wenig feuchtigkeitsempfindlich, was sie einfacher zu lagern und zu verwenden macht und das Risiko von Druckfehlern minimiert.

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

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

• Flexible: Die Kompatibilität zwischen Stütz- und flexiblen Materialien war noch nie besonders gut. Es ist möglich, BVOH oder Materialien wie Aquasys 120 mit einigen flexiblen Filamenten zu verwenden, jedoch ist es erforderlich, jedes flexible Filament auf Kompatibilität zu überprüfen.

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

• Wenn Sie üblicherweise lösliche Stützen mit verschiedenen Materialien verwenden, ist die ideale Option, ein einziges Material zu verwenden, das mit allen Materialien kompatibel ist, wie Aquasys 120 oder Aquatek X1, anstatt ein unterschiedliches Material für jedes Material zu haben.

Auch wenn lösliche Filamente oft als eine einzelne Gruppe bezeichnet werden, bestehen sie tatsächlich aus verschiedenen Materialien mit sehr spezifischen Eigenschaften. Heutzutage ist es möglich, hochwertige lösliche Filamente zu finden, die mit nahezu jedem auf dem Markt erhältlichen Material kompatibel sind, von PLA bis PEEK.