Ist die Erwärmung des Filaments vor Gebrauch notwendig? Prüfen Sie, warum und wie Sie die Materialien für den 3D-Druck trocknen sollen.

Ist die Erwärmung des Filaments vor Gebrauch notwendig? Prüfen Sie, warum und wie Sie die Materialien für den 3D-Druck trocknen sollen.

Warum nehmen die Filamente die Feuchtigkeit auf?

Die meisten Druckmaterialien weisen starke hygroskopische Eigenschaften auf, was bedeutet, dass sie die Feuchtigkeit aus der Umgebung leicht aufnehmen. Es kann passieren, dass auch ein vom Hersteller sehr dicht verschlossenes Filament für den Gebrauch sofort nach dem Auspacken ungeeignet ist. Aufgrund dessen sollen wir uns dessen bewusst sein, dass der Kauf des Materials nicht die letzte Etappe vor dem Druckvorgang ist.

Damit der 3D-Druckvorgang störungsfrei abläuft, ist die richtige Filament-Vorbereitung sehr wichtig. Die Erwärmung des Materials bei dafür geeigneten Temperaturen erlaubt die vom Filament aufgenommene Feuchtigkeit zu eliminieren.

Negativer Einfluss der Feuchtigkeit auf Filamente

Die Hygroskopie, d.h. das Feuchteaufnahmevermögen durch Filament, ist in diesem Fall unerwünscht, aber kommt sehr oft, insbesondere bei technischen Materialien vor. Wie sieht das in der Praxis aus? Das Wasser sammelt sich an den äußeren Materialschichten und dringt nach innen ein, was den 3D-Druckprozess sowie die Modelle unmittelbar beeinträchtigt.

Die hygroskopischen Eigenschaften der Filamente bewirken riesige Probleme beim Druckvorgang, die auf den ersten Blick nicht immer sichtbar sind. Sogar kleine Menge der im Material enthaltenen Feuchtigkeit kann folgende Parameter beeinträchtigen:

  1. Mechanische Druckparameter – Beim Drucken aus technischen Materialien, die bestimmte Eigenschaften aufweisen, dürfen deren mechanische Eigenschaften nicht verloren gehen.
  2. Modellqualität – Luftblasenbildung an den Druckwänden.
  3. Laminieren von Schichten – Fähigkeit zum Verbinden von weiteren Druckschichten miteinander.
  4. Große Porosität – Material, das die Feuchtigkeit nach dem Drucken absorbiert hat, kann die „geschäumte“ Struktur aufweisen. Das weist auf große Porenmenge hin, die bei der Extrusion des Filaments aus der Düse entsteht. Die Wasserpartikeln verdunsten im Kontakt mit der heißen Düse und bilden dabei Blasen. Das beeinflusst die Dichte der Druckstruktur (wovon hellere Farbe zeugt) sowie die Maßgenauigkeit.

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lipiec
Die Erwärmungstemperatur ist von Bedeutung. Deshalb ist die Filament-Vorbereitung für den 3D-Druck nach Vorgaben für das jeweilige Material sowie dessen Erwärmung bei Temperaturen wichtig, bei denen die Feuchtigkeit vollständig eliminiert werden kann. Bei 3DGence prüfen wir vor der Aussprache einer Empfehlung verschiedene Möglichkeiten, um den Betrieb von industriellen 3D-Druckern – 3DGence INDUSTRY F340 und 3DGence INDUSTRY 420 für Benutzer zu erleichtern.
Łukasz Lipiec, Technical Sales Support Engineer

Trocknung von 3D-Druckmaterialien

Entscheidend für das Erzielen der gewünschten Eigenschaften eines gedruckten Teiles ist die richtige Erwärmung des Materials vor Beginn des Druckvorgangs. Worauf beruht dieser Prozess?

Zur Entfernung der übermäßigen Feuchtigkeit aus dem Material muss die Filament-Spule in der geeigneten Vorrichtung zur Trocknung eingelegt werden. Die Zeit sowie die Temperaturen, bei denen die Erwärmung erfolgen soll, hängen vom verwendeten Material ab.

Bei welchen Temperaturen sind die Materialien zu erwärmen?

Die meisten technischen Materialien sind vor dem Druckvorgang zu erwärmen, um die Feuchtigkeit zu entfernen, die aus der Umgebung vom Filament aufgenommen wird. Bei der entsprechenden Erwärmung erfolgt die Verdunstung von Feuchtigkeit aus dem Material. Bei der Temperaturwahl muss man vorsichtig vorgehen, zu hohe Temperatur kann das Filament verformen. Es ist ratsam, nach Herstellervorgaben vorzugehen.

Woher wissen wir, bei welcher Temperatur das Material vor Gebrauch zu trocknen ist?

Die 3D-Gence Forschungs- und Entwicklungsabteilung prüft vor der Einarbeitung jedes neuen Materials, unter welchen Bedingungen das jeweilige Material betrieben werden soll. Aufgrund seiner eigenen Erfahrungen bearbeitet das Team die Empfehlungen, die von jedem Benutzer der 3Dgence Maschinen in Anspruch genommen werden können.

Prüfen Sie die Empfehlungen für einige technische Materialien bezüglich deren Erwärmung nach dem Auspacken.

 

  1. PA6 [3DGence]:
    • Erforderliche Erwärmung des Materials bei 60°C innerhalb von mind. 24 Stunden
  2. Nylon 680 [Taulman3D]:
    • Erforderliche Erwärmung des Materials bei 70–80°C innerhalb von ca. 8 Stunden. 
  3. ULTEM AM9085F-1010 [Sabic]:
    • Erforderliche Erwärmung des Materials bei 120°C innerhalb von mind. 24 Stunden
  4. PolyMide CoPa [Polymaker] 
    • Erforderliche Erwärmung des Materials bei 60–80°C innerhalb von ca. 12 Stunden
  5. PEKK-A [Kimya]
    • Erforderliche Erwärmung des Materials bei 60°C innerhalb von mind. 12 Stunden
  6. PEEK [3DGence]
    • Erforderliche Erwärmung des Materials bei 75°C innerhalb von ca. 24 Stunden
PA6 Material wurde bei 65°C für 24h erhitzt (diese Temperatur ist zu niedrig für dieses Material)
PA6 filament - proper drying temperature
PA6 Material wurde bei 85°C für 24h erhitzt (es ist die richtige Temperatur, um gute Ergebnisse zu erzielen)

Wie sollen die Filamente getrocknet werden?

Die richtige Vorbereitung von Materialien ist für die Durchführung eines richtigen Druckprozesses notwendig. Es bestehen einigen Methoden zur Trocknung von Filamenten.

1. Verwendung der beheizbaren Filament-Kammer

Die Kammer hat die höheren Temperaturen für Filamente aufrechtzuerhalten, was vor Feuchtigkeit, Änderung von Parametern sowie Materialabmessungen schützt. Die 3DGence Drucker Serie INDUSTRY wurden mit einer beheizbaren Filament-Kammer ausgestattet, die folgende Temperaturen erreichen kann:

  • bis 70°C bei 3DGence INDUSTRY F340,
  • bis 50°C bei 3DGence INDUSTRY F420.

2. Verwendung des dedizierten Trockners zur Erwärmung.

Auf dem Markt sind zahlreiche Geräte erhältlich, die für die Trocknung von Materialien konzipiert sind.

Bei 3DGence wird ein professioneller Labortrockner Drying Oven SLW 53 zur Erwärmung von Materialien vor Gebrauch eingesetzt [Die technische Spezifikation ist zu entnehmen]

Trocknung von Filamenten im Ofen. Ist das eine gute Idee?

Die Filament-Trocknung soll als notwendiger Bestandteil des industriellen 3D-Druckvorgangs unter völlig kontrollierten und vorhersehbaren Bedingungen erfolgen. Die Trocknung von Filamenten im Küchenofen erlaubt die volle Kontrolle nicht und kann sogar zur Materialbeschädigung sowie zur Unterbrechung des gesamten Druckprozesses führen.

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3DGence Drying Oven SLW 53 - Labortrockner
Beheizte Materialkamme - 3DGence INDUSTRY F420

Kann das Filament bei mehrstündigem Druckvorgang feucht werden?

Ja, auch wenn wir das Filament vor dem Drucken erwärmen, kann das Filament die Feuchtigkeit beim oft langfristigen Prozess aus der Umgebung absorbieren, falls kein ausreichender Schutz gewährleistet wird. Aufgrund dessen, um aus technischen Materialien mit guten hygroskopischen Eigenschaften zu drucken, sollen die 3D-Drucker für industrielle Anwendungen mit beheizbarer Filament-Kammer eingesetzt werden. In der beheizbaren Filament-Kammer wird die hohe Temperatur aufrechterhalten sowie der Luftzugang aus der Druckerumgebung wird beschränkt, was eine erneute Feuchteaufnahme durch das Material verhindert.

Prüfen wir den Einfluss der Feuchtigkeit auf die Druckergebnisse.

Nach Vorgaben soll ULTEM innerhalb von 24 Stunden bei 120 C erwärmt werden. Für Prüfungszwecke haben wir getestet, was mit dem gedruckten Teil passiert, wenn das Material vor Beginn des Druckvorgangs nicht getrocknet wird. In die mit 3Dgence INDUSTRY F420 beheizbare Filament-Kammer legten wir nicht erwärmtes ULTEM und begannen mit dem Druckprozess.

Anhand der 3D-Druck-Abbildung sehen wir, dass die im Laufe der Zeit beheizbare Kammer am 3DGence INDUSTRY F420 zur Verdunstung der Feuchtigkeit von den externen Materialspulen beitrug. Dies hatte einen wesentlichen Einfluss auf die Modellqualität, die sich mit der kontinuierlichen Wasserentfernung aus dem Filament verbesserte. Dabei nahm auch die Porosität der gedruckten Probe im Laufe der Zeit ab.

Wie kann man erkennen, dass die Feuchtigkeit von unserem Material aufgenommen wurde?

Eine dichte Original-Verpackung gewährleistet nicht, dass unser Material keine Feuchtigkeit aufgenommen hat und sich für den Druckvorgang ohne Vorbereitung eignet. Trotz fehlender sichtbarer Unterschiede kann nur die Gewichtsmessung sowie das Aussehen der gedruckten Teile darauf hinweisen, dass eine gewisse Feuchtigkeitsmenge vom Material aufgenommen wurde.

1. 3D-Druckvorgang

Wenn kein richtig vorbereitetes Filament zur Verfügung steht, kann bei der Materialextrusion aus der Düse Folgendes beobachtet werden:

  1. Blasenbildung auf der Druckoberfläche,
  2. Sichtbare Verdunstung,
  3. Hörbare Zisch- bzw. Knallgeräusche beim Drucken.

Letztendlich führt das zum Verlust des extrudierten Materials, aus dem eine Schicht aufgebaut ist, sowie zur Porenbildung in der Druckstruktur und dadurch zur Schwächung des hergestellten Teiles.

2. Messung des Materialgewichts

Das Filament-Gewicht in Verpackung kann dem Gewicht des in feuchter Umgebung gelagerten Materials ähnlich sein, was darauf hinweist, dass der Filament-Hersteller nicht immer die geeigneten Verpackungsbedingungen sicherstellt.

Beispiel:

Nach dem Auspacken betrug das Filament-Gewicht von Nylon 680 [Taulman] 466,5 g (nach dem Abzug des Spulengewichtes). Das Material wurde für 24 Stunden bei mittleren Temperaturen von 23 C sowie Luftfeuchtigkeit von 48% gelagert. Hat das Material die Feuchtigkeit aus der Umgebung absorbiert? Ja, nach dem Wiegen wurde die Materialgewichtszunahme um 0,6 g bis auf 467,1 g festgestellt. Die Vorverarbeitung (Preprocessing) war vor dem Druckvorgang notwendig. Das Material wurde nach Vorgaben erwärmt und für 8 Stunden in der beheizbaren Druckkammer bei 70 C am 3DGence INDUSTRY F340 gelagert. Durch Erwärmen des Materials wurde sein Gewicht auf 464,2 g reduziert. Das bedeutet, dass die Feuchtigkeit aus dem Filament beim Erwärmen mit einem Gewicht von 2,9 g entfernt werden konnte, was 0,62% des Filaments vor dem Erwärmen ausmacht.

88 / 1024 3D-gedrucktes Teil mit Nylon 680 Taulman hergestellt, das Material wurde vor Gebrauch nicht erhitzt
3D-gedrucktes Teil mit Nylon 680 Taulman, das Material wurde bei 85°C für 24 Stunden erhitzt.

Fazit

  1.  Es ist wichtig, dass wir die 3D-Druckmaterialien bewusst verwenden
  2. Die Vorverarbeitung ist entscheidend und die entsprechende Materialvorbereitung für den Druckprozess hat einen wesentlichen Einfluss auf unsere Druckergebnisse.Es ist ratsam, den Vorgaben von Materialherstellern zu folgen bzw. die erforderlichen Daten den verfügbaren Datenbanken zu entnehmen: https://3dgence.com/support/.
  3. Beachten Sie, dass das Filament trotz fehlender sichtbarer Unterschiede nach dem Auspacken die Feuchtigkeit bereits aufnehmen konnte. Wir können das durch Messung des Filament-Gewichtes sowie durch die Prüfung des Druckaussehens prüfen. Für Betriebssicherheit sowie gute Druckergebnisse soll immer vorausgesetzt werden, dass ein neues, auch dicht verschlossenes Material nach Herstellervorgaben getrocknet werden soll.
  4. Achten Sie auch auf einen geeigneten Schutz des Filaments vor Feuchtigkeit beim Druckvorgang. Die beheizbaren bei industriellen 3Druckern eingesetzten Kammern sorgen für die geeigneten Temperaturen unseres Materials.
  5. Wichtig sind auch richtige Lagerung sowie Sicherung des Filaments nach der Beendigung des Druckvorgangs (dicht mit Trockner an einem schattigen Ort).

Warum wählen die Kunden 3DGence INDUSTRY F340?

Industrieller 3D-Drucker kann eine ergänzende Maschine sein, die traditionelle Fertigungsprozesse unterstützt. Die Wahl einer richtigen Maschine, die Ihren Bedürfnissen entspricht, ist keine leichte Aufgabe.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, welcher industrielle 3D-Drucker für Ihr Unternehmen geeignet ist, können Sie sich an 3D-Druckexperten wenden: [email protected] com

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