Parameter, die die Haftung auf dem Substrat bestimmen

Die korrekte Haftung zwischen dem Teil und der Unterlage ist entscheidend, um Fehler beim Druck zu vermeiden. Die Verbindung zwischen der ersten Druckschicht und der Oberfläche der Plattform erfüllt zwei grundlegende Funktionen:

1. Halten Sie das Teil während des gesamten Druckvorgangs in einer festen Position, um Schichtverschiebungen oder Kollisionen mit dem Druckkopf zu vermeiden.
2. Sie kompensieren die während der Abkühlung des Teils auftretenden Spannungen und verhindern, dass sich das Teil löst oder verformt.

Die Haftung zwischen dem Teil und dem Untergrund wird hauptsächlich durch vier Faktoren bestimmt:

1. Die physikalisch-chemische Affinität zwischen dem Material der Druckoberfläche und dem Bedruckstoff.

Die physikalisch-chemische Affinität zwischen dem Druckmaterial und der Substratoberfläche ist vielleicht der wichtigste Parameter, der berücksichtigt werden muss. Aus diesem Grund ist es heute üblich, speziell für den 3D-Druck entwickelte Polymerbeschichtungen auf der Oberfläche der Plattform zu verwenden. Es ist sehr wichtig, ein Produkt zu verwenden, das mit dem verwendeten Druckmaterial kompatibel ist, da einige Materialien, wie PP oder Nylon, spezielle Produkte erfordern. 

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Lösungen:

• Auf Klebefolien aufgebrachte Beschichtungen.
  Sie bestehen aus einer Folie oder einem Klebeband mit einer Polymerbeschichtung auf einer der Oberflächen. Ursprünglich wurden Kapton oder ähnliche Bänder verwendet, aber heute gibt es eine Vielzahl von Lösungen und Produkten, die speziell für den 3D-Druck entwickelt wurden. Das wohl bekannteste Beispiel sind die Polymerfolien von Buildtak, aber auch von anderen Herstellern gibt es ähnliche Produkte. Dabei handelt es sich um allgemeine Lösungen, die mit den gängigsten Materialien kompatibel sind, obwohl es auch spezifischere Produkte gibt, wie PEI-beschichtete Folien oder spezielle Folien für Polypropylen oder Nylon. Ihr Hauptvorteil ist, dass sie eine gute Haltbarkeit haben, so dass sie für mehrere Drucke verwendet werden können, ohne dass sie ersetzt werden müssen, aber sie verlieren mit dem Gebrauch an Haftung und bieten nicht die beste Leistung bei bestimmten technischen Materialien. Darüber hinaus haben sie in der Regel eine Temperaturgrenze für die Verwendung. Um die Lebensdauer zu verlängern, ist es ratsam, jedes Mal in einer anderen Position auf der Plattform zu drucken, damit die Abnutzung über die gesamte Fläche gleichmäßig ist.

Bild 1: Buildtak-Klebefolien. Quelle: buildtak.com

• Flüssige Beschichtungen.
  Dabei handelt es sich um Polymersuspensionen, die direkt auf die Oberfläche des Untergrunds aufgetragen werden und nach dem Trocknen einen durchgehenden Polymerfilm bilden, ähnlich wie bei Klebefilmen. Dies empfiehlt sich bei der Arbeit mit einer Vielzahl von technischen Materialien, da es für jedes dieser Materialien spezifische, optimierte Formulierungen gibt. Sie sind außerdem leicht mit Wasser oder Alkohol abwaschbar und können schnell wieder aufgetragen werden, so dass sie bei einem Wechsel des Druckmaterials bequem ausgetauscht werden können. Ihr Hauptvorteil besteht darin, dass sie für jedes Material und für hohe Temperaturen spezifische Formulierungen haben, so dass ihre Leistung höher ist. Außerdem kann die Beschichtung durch erneutes Auftragen vor jedem Druck regeneriert werden, so dass die Haftung bei Gebrauch nicht verloren geht.
  Im Allgemeinen gibt es sie in zwei Formaten: als Stift oder als Spray. Im Falle des Sprühformats wird empfohlen, es immer mit der Basis außerhalb des Druckers aufzutragen, um eine Beschädigung oder Verschmutzung anderer Komponenten zu vermeiden. Wenn es nicht möglich ist, den Sockel zu entfernen, empfiehlt es sich, immer das Stick-Format zu verwenden, da es sauberer ist. Die bekanntesten Beispiele sind die Adhäsionslösungen der Marke Magigoo oder 3D-Drucklacke wie 3DLac.

Bild 2: 3D-Druck-Aufkleber von Magigoo. Quelle: Filament2Print.

2. Die Kontaktfläche zwischen dem Werkstück und der Unterlage.

Eine größere Kontaktfläche zwischen dem Teil und dem Untergrund führt zu einer besseren Haftung. Bei großen Teilen in Druckern ohne beheizte Kammer ist Vorsicht geboten, da sie zwar eine größere Kontaktfläche haben, aber auch ein größeres Volumen und damit höhere Spannungen durch die Schrumpfung beim Abkühlen. Das am häufigsten verwendete Mittel zur Vergrößerung der Kontaktfläche ist das Anbringen eines Randes auf dem Teil während des Laminierens. Die Kante wird nur auf die erste Schicht oder in einigen Fällen auf die ersten 2 oder 3 Schichten aufgebracht, wodurch die Kontaktfläche des Teils vergrößert wird, ohne die Schrumpfungsspannungen zu erhöhen. Es gibt auch andere Möglichkeiten, die Kontaktfläche zu vergrößern, wie z. B. die Erhöhung des Extrusionsfaktors während der ersten Schicht, obwohl dies nicht empfohlen wird.

Bild 3: Die Kante wurde hinzugefügt, um die Haftung des Stücks zu verbessern. Quelle: eigene Ausarbeitung.

Einige Drucker verfügen auch über raue oder strukturierte Beschichtungen, was eine weitere Möglichkeit ist, die Kontaktfläche und damit die Haftung zu erhöhen. 

3. Die Temperatur der Druckunterlage.

Die Temperatur der Druckunterlage hat eine doppelte Funktion in Bezug auf die Haftung. Wenn er gleich oder etwas höher als die Tg des Druckmaterials ist, verhindert er einerseits die Schrumpfung durch Abkühlung der ersten Schichten und reduziert so die Spannungen, die zum Abheben oder Ablösen des Teils führen könnten. Andererseits begünstigt es die chemische Bindung zwischen dem Druckmaterial und dem Beschichtungsmaterial der Druckoberfläche. Es wird empfohlen, dass die Temperatur des Trägermaterials gleich oder etwas höher als die Tg des Druckmaterials ist. Es ist jedoch nicht ratsam, viel höhere Temperaturen einzustellen, da sie die Haftung verringern und Verformungen wie Elefantenfüße verursachen können.

4. Der Zustand der Druckbasis

Es ist auch sehr wichtig, den Zustand unserer Druckunterlagen zu überprüfen. Trotz Einhaltung der drei vorangegangenen Punkte kann es aufgrund eines schlechten Zustands oder einer schlechten Wartung des Untergrunds zu Haftungsproblemen kommen. Die folgenden Punkte sollten regelmäßig überprüft werden:

• Oberflächenreinigung: Staub oder Schmutz auf der Druckunterlage können die Haftung stark beeinträchtigen. Die Substratoberfläche sollte vor jedem Druck gereinigt werden.
• Oberflächenfehler oder Lochfraß: Auch eine beschädigte Oberfläche kann zu Haftungsproblemen führen. Es ist wichtig, die Plattform in gutem Zustand zu halten und sie zu ersetzen, wenn Mängel festgestellt werden.
• Abgenutzte Beschichtung: Bei Klebefolien ist zu bedenken, dass sie mit der Zeit an Wirksamkeit verlieren, weshalb sie durch eine neue ersetzt werden sollten, sobald eine Abnutzung festgestellt wird. Flüssiglacke können für mehrere Drucke wiederverwendet werden, obwohl es möglich ist, dass ein Teil der Beschichtung verloren geht, wenn das Teil entfernt wird. Vor jedem Druck sollte der Zustand der Beschichtung überprüft und ggf. ein neuer Auftrag vorgenommen werden.

Bild 4: Vergleich zwischen einem Sockel in gutem und einem in schlechtem Zustand. Quelle: prusa3d.com

Probleme im Zusammenhang mit schlechter Haftung

Die Hauptfolge einer schlechten Haftung auf der Druckoberfläche ist, dass sich das Teil von der Unterlage löst. Dies führt immer zu Druckfehlern, kann aber in einigen Fällen auch die Ursache für Geräteausfälle oder -brüche sein.
Wenn sich das Teil ablöst und sich von seiner ursprünglichen Position entfernt, druckt der Drucker weiter, ohne ein Substrat zu haben, auf das das neue Material aufgebracht werden kann. Dies führt dazu, dass der Kunststoff an der Düse und dem Block klebt und eine Masse bildet, die im Laufe des Druckvorgangs wächst. Wenn sie nicht rechtzeitig gestoppt wird, wächst diese Masse geschmolzenen Kunststoffs so stark an, dass sie die Anlage unbrauchbar machen kann.

Um Adhäsionsprobleme zu verstehen und zu lösen, muss berücksichtigt werden, dass das Teil durch zwei Mechanismen abgelöst werden kann.

Wenn keine gute Haftung zwischen der Druckoberfläche und der ersten Schicht besteht, wird sich das Teil aufgrund der Reibung der Düse während des Drucks und der Vibrationen vollständig ablösen. In der Regel tritt der Fehler zu Beginn des Druckvorgangs auf. In diesem Fall ist es ratsam, die folgenden Punkte zu überprüfen:

• Abstand zwischen Düse und Boden
• Höhe der ersten Schicht
• Zustand des Substrats
• Verwendete Klebelösung

Es kann sein, dass die Haftung auf dem Untergrund sehr gut ist, das Teil sich aber an den Enden abzulösen beginnt. Der Grund dafür ist, dass die Schrumpfung während des Abkühlens Spannungen von der Außenseite des Teils zur Mitte hin erzeugt, die eine Verformung des Teils bewirken. In diesen Fällen reicht die Haftung zwischen dem Teil und dem Untergrund nicht aus, um die durch die Schrumpfung erzeugten Spannungen auszugleichen. Dieses Phänomen wird als Verziehen bezeichnet. In diesem Fall löst sich das Teil allmählich ab, und der Druck kann jederzeit fehlschlagen, sogar einige Minuten vor Ende des Druckvorgangs.
In diesem Fall kann versucht werden, die Haftung zu verbessern, um den Verzug zu kompensieren, aber es müssen auch andere Faktoren wie die Laminierungsparameter, die Materialart oder die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden.

Probleme im Zusammenhang mit übermäßiger Adhäsion

In manchen Fällen kann eine übermäßige Haftung auf dem Untergrund das Trennen des Teils sehr schwierig machen. In diesen Fällen sollte Folgendes geprüft werden:

• Abstand zwischen Düse und Unterlage: Es ist wichtig, dass zwischen der Düse und der Druckunterlage ein ausreichender Abstand besteht. Ein zu geringer Abstand kann die Druckoberfläche beschädigen, eine übermäßige Haftung des Teils verursachen oder zu einem Stau führen, da der geschmolzene Kunststoff nicht austreten kann.
• Adhäsionslösungen: Einige Materialien wie PETG oder einige flexible Materialien können eine übermäßige Adhäsion zu Klebstoffen oder flüssigen Beschichtungen aufweisen. In diesen Fällen ist es ratsam, keine Beschichtungen auf der Druckplattform zu verwenden oder auf einem Floß zu drucken. 
• Übermäßige Extrusion: Eine übermäßige Extrusion, insbesondere in der ersten Schicht, kann ebenfalls die Haftung erhöhen.

Wenn ein Problem mit übermäßiger Adhäsion auftritt, gibt es mehrere Möglichkeiten, die Entfernung der Teile zu fördern:

• Kühlen der Unterlage: Da die Unterlage und das Teil unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, kann die Kühlung der Unterlage das Ablösen des Teils erleichtern. Am besten erwärmt man die Unterlage und legt sie dann auf eine kalte Unterlage, z. B. einen Eisbeutel, so dass sie sich stark zusammenzieht.
• Verwenden Sie einen scharfen Spachtel: In manchen Fällen ist die übermäßige Haftung auf eine Saugwirkung zurückzuführen. In diesen Fällen ist es ratsam, einen scharfen Spatel unter das Stück zu führen und es nach und nach abzuziehen. Bei dieser Methode besteht die Gefahr, dass sowohl der Sockel als auch das Stück beschädigt werden.
• Lösen von Flüssigbeschichtungen: Dies ist nur möglich, wenn eine Sprüh- oder Klebebeschichtung verwendet wird. Da diese Produkte leicht löslich sind, kann es hilfreich sein, den Sockel unter einen Wasserstrahl zu halten oder ihn unterzutauchen, um das Teil zu entfernen.

Bei der Verwendung von Glassockeln ist besondere Vorsicht geboten, da eine hohe Bruchgefahr besteht. Es ist nicht ungewöhnlich, dass beim Entfernen von fest verklebten Teilen von gehärteten Glasböden ein Stück der Glasoberfläche abbricht.

Durch die Verwendung flexibler Sockel wird dieses Problem weitgehend vermieden, so dass diese Option sehr zu empfehlen ist.

In diesem Leitfaden werden Konzepte in allgemeiner Form erörtert und nicht auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell eingegangen, auch wenn diese an einigen Stellen erwähnt werden. Die Kalibrierungs- oder Einstellverfahren können sich von Marke zu Marke und von Modell zu Modell erheblich unterscheiden. Es wird daher empfohlen, vor dem Lesen dieses Leitfadens das Handbuch des Herstellers zu konsultieren.