Feuchtigkeit: Der große Feind von 3D-Druckfilamenten

Feuchtigkeit ist das Wasser, das einen Körper durchdringt, bzw. der in der Atmosphäre vorhandene Wasserdampf. Für alle Lebewesen ist Wasser das Notwendigste, um zu überleben, sogar mehr als Nahrung, aber für nicht-lebende Elemente ist Feuchtigkeit oft eine Quelle von Problemen, da sie Oxidation und Zersetzung vieler Materialien verursacht. Im Falle des 3D-Drucks, genauer gesagt bei Filamenten, kann eine übermäßige Feuchtigkeitskonzentration eine lange Liste von Problemen verursachen, alle mit dem gleichen Ende, einem misslungenen 3D-Druck.

Die Auswirkungen der Wasseranziehung können zu folgenden Problemen führen: erhöhte Sprödigkeit, erhöhter Durchmesser (mögliche Probleme bei Druckern mit Bowden-Extrusionssystem), Filamentdegradation, Filamentbruch usw. Es muss auch berücksichtigt werden, dass Filamente, die Wasser aufgenommen haben, eine höhere Temperatur für die Extrusion haben. Denken Sie daran, die Filamente nicht im Drucker zu haben, wenn Sie nicht drucken wollen. Sie können im Extruder stecken bleiben, weil sie bei der Wasseraufnahme fett werden und im Durchmesser zunehmen.

Die folgende Karte zeigt die durchschnittliche jährliche relative Luftfeuchtigkeit (prozentuales Verhältnis zwischen der tatsächlich in der Luft enthaltenen Wasserdampfmenge und der Menge, die sie enthalten müsste, um bei gleicher Temperatur gesättigt zu sein), ein Wert, der aus der durchschnittlichen Luftfeuchtigkeit der zwölf Monate des Jahres ermittelt wird. Die relative Luftfeuchtigkeit ist sehr unterschiedlich, je nachdem, wo Sie sich in Europa befinden, wobei sie im nördlichen Teil des Kontinents stärker ausgeprägt ist.

Bild 1: Karte der relativen Luftfeuchtigkeit in Europa. Quelle: NeoGAF

Die wichtigsten Folgen von Feuchtigkeit in einem Heizfaden sind:

• Filamentabbau: Hygroskopische Filamente neigen dazu, in hohem Maße Wasser aufzunehmen, da sich Wassermoleküle an Polymermoleküle binden und starke intermolekulare Bindungen bilden. Diese Bindungen können zu internen Mikrorissen führen, die die Filamentstruktur selbst schwächen.
• Verstopfung des Extruders / HotEnd: Die im Filament konzentrierte Wasserfeuchtigkeit verdampft beim Erhitzen im HotEnd, wodurch Löcher im Filament entstehen, die zu einer Paste werden, die den Zylinder (Heat Break) oder die Düse verstopft. Dieses Problem tritt sehr häufig bei der Verwendung von Nylonfilamenten mit hohem Feuchtigkeitsanteil (>20%) auf.
• 3D-Drucke von geringer Qualität (Widerstandsfähigkeit und Oberflächengüte): Die Kombination der oben genannten Faktoren führt zu 3D-Drucken mit vielen Problemen, sowohl mechanisch als auch bei der Oberflächengüte. Die (mit bloßem Auge nicht immer sichtbaren) Lücken zwischen den Schichten, die durch Wasserverdunstung entstehen, sind kritische Stellen, an denen bei geringen Kraftwerten leicht Risse entstehen. Bei hoher Feuchtigkeitskonzentration verursachen die genannten Hohlräume eine raue und weißliche Oberfläche.

Bild 2: Probleme, die durch Feuchtigkeit verursacht werden. Quelle: PrintDry: PrintDry

Als Ergebnis der Entwicklung der 3D-Druckwelt gibt es Filamente mit hoher Feuchtigkeitsbeständigkeit, wie PETG oder CPE HG100, Copolyester, die problemlos über längere Zeiträume Wasser ausgesetzt werden können. Unter den übrigen Filamenten finden wir einige mit mäßiger Beständigkeit, wie PLA oder ABS, und andere, vor allem Nylons und PVA, die sehr anfällig für Feuchtigkeitsaufnahme sind und in weniger als einem Tag hohe Werte erreichen.

Einige Benutzer von 3D-Druckern verwenden herkömmliche Methoden, um die Feuchtigkeit aus dem Filament zu entfernen und es zu lagern, z. B. das Trocknen des Materials im heimischen Ofen und die Lagerung des Filaments in nicht vollständig luftdicht verschlossenen Boxen. Diese Maßnahmen sind, abgesehen davon, dass sie im Falle des Haushaltsbackofens gefährlich sind, insbesondere bei technischen und fortschrittlichen Materialien nicht völlig wirksam. Hier finden Sie einige professionelle Empfehlungen, wie Sie Feuchtigkeit entfernen und wie Sie die Filamente lagern, um eine Absorption zu vermeiden:

Filament-Trockner 

Der effektivste Weg, die in einem Material enthaltene Feuchtigkeit zu entfernen, ist die Verwendung eines Filamenttrockners, wie z. B. des PrintDry-Filamenttrockners. Dieses Gerät ist in der Lage, die intermolekularen Bindungen zwischen Wasser und Polymer dank seiner Trocknungstemperatur (35-70 ºC) und des natürlichen Luftstroms in seinem Inneren aufzubrechen, der die Feuchtigkeit von der Oberfläche des Filaments in die umgebende Luft transportiert. Der Idealwert der Luftfeuchtigkeit in einer Wendel liegt zwischen 10-13%.

Lagerung

Sowohl zu Beginn der Verwendung einer neuen Spule als auch nach dem Trocknen eines Filaments ist die richtige Lagerung wichtig, um den Mindestprozentsatz an Feuchtigkeit aufrechtzuerhalten. Bei herkömmlichen Materialien (PLA oder ABS) und kurzen Lagerungsintervallen (<2 Monate) ist die Verwendung eines Beutels mit einem Schnappverschluss vom Typ "Grip" ausreichend. Bei längeren Lagerzeiten oder bei technischen und fortschrittlichen Materialien ist diese Maßnahme nicht ausreichend. Die ideale Lösung ist die Verwendung der vakuumversiegelten, luftdichten Filamentbehälter von PrintDry. Das sind hochfeste Kunststoffbehälter, in denen jeder Anwender sein Filament sicher aufbewahren kann, ohne sich Sorgen machen zu müssen, dass es feucht wird. Das Potenzial dieser Behälter liegt im Deckel, da dieser ein Vakuumventil beherbergt, durch das und mit Hilfe einer Handpumpe (im Lieferumfang enthalten) die Luft im Inneren des Behälters abgesaugt werden kann, wodurch eine staub- und feuchtigkeitsfreie Lagerung möglich ist. Auf diese Weise kann der korrekte Zustand des Filaments garantiert werden, auch wenn mehrere Monate vergangen sind, seit die Spule aus ihrer ursprünglichen Werksversiegelung entfernt wurde. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die relative Luftfeuchtigkeit des Lagerraums einen großen Einfluss hat, und diese sollte so niedrig wie möglich sein, ohne die Gesundheit des Anwenders zu schädigen (ein guter Wert wäre etwa 40%).

Lebensdauer des Filaments

Die Lebensdauer eines Qualitätsfilaments ab Herstellung beträgt 2-3 Jahre, solange es sich in der Originalversiegelung und im Vakuum befindet. Nach dem Öffnen des Originalbeutels hängt die Zeit, in der er seine mechanischen Eigenschaften und seine Farbe verliert, von der Art des Materials und der Lagerung ab. Ein PLA oder ABS, das auf die oben genannte Weise gelagert wird, kann seine Eigenschaften länger als 1 Jahr beibehalten, hält aber ansonsten nur ein Zehntel der Zeit. Bei empfindlicheren Materialien, wie z. B. Nylons und PVA, kann der Totalverlust nur wenige Tage betragen.

Es ist daher offensichtlich, dass die Aufbewahrung von Filamenten mit niedrigen Feuchtigkeitswerten (10-13 %) ein Schlüsselfaktor ist, den man immer im Auge behalten sollte, um Probleme vor, während und nach dem 3D-Druck zu vermeiden.

Um eine maximale Zuverlässigkeit beim Drucken zu erreichen, ist es wichtig, die maximale Anzahl möglicher Variablen unter Kontrolle zu haben, und die Feuchtigkeit ist eine davon, um maximale Robustheit im Druckprozess zu gewährleisten.